Smeltpunt van aluminium: een complete gids

Aluminium (Al) is een veelzijdig element. Het staat bekend om zijn hoge sterkte-gewichtsverhouding, corrosie-eigenschappen en superieure geleidbaarheid. Eén cruciale eigenschap die echter van invloed is op verwerkingstechnieken en toepassingen, is het smelten van aluminium. Smeltpunt is een belangrijke parameter voor de overgang van metaal van vaste naar vloeibare fase. Ingenieurs en metallurg beschouwen het altijd als een sleutelelement in elk industrieel proces voor toepassingen bij hoge temperaturen. Het belang van het smeltpunt van aluminium en het effect ervan op meerdere eigenschappen worden in dit artikel besproken.

Wat is het smeltpunt van aluminium?

Smeltpunt is de temperatuur waarbij een vaste stof overgaat in een vloeibare toestand. Het smeltpunt van zuiver aluminium 99.99% is 660,37 °C. Er kan een klein verschil zijn in smelttemperatuur met het verschil in zuiverheid. Bijvoorbeeld, het smeltpunt van 99.5% Al is 657 °C en voor 99.0% Al is 643 °C

Smeltpunten begrijpen

Heeft aluminium een ​​smeltpunt of een smelttraject?

Zuiver aluminium heeft een duidelijk smeltpunt van ongeveer 660.3 °C. Het meeste aluminium dat in de industrie wordt gebruikt, is echter geen zuiver aluminium. Het is een legering gemaakt met elementen zoals magnesium, silicium, koper of zink. Hierdoor smelten veel aluminiumlegeringen niet bij één exacte temperatuur. In plaats daarvan smelten ze over een bepaald temperatuurbereik. Het onderste uiteinde van dat bereik wordt de solidus genoemd, waar het smelten begint, en het bovenste uiteinde de liquidus, waar de legering volledig vloeibaar wordt.

Dit verschil is van belang in de praktijk. Wanneer ingenieurs giet-, las-, soldeer- of warmtebehandelingsprocessen evalueren, is het smelttraject van de aluminiumlegering doorgaans nuttiger dan het smeltpunt van zuiver aluminium. Daarom toont een materiaaldatablad voor 6061 of 7075 vaak een smelttraject in plaats van een enkel getal. In de productie helpt inzicht in wanneer een legering begint te verzachten en wanneer deze volledig gesmolten is, om defecten te verminderen, de warmte-inbreng te beheersen en het juiste procesvenster te kiezen.

Smeltpunt van aluminium in Kelvin

Het smeltpunt van Al in Kelvin is 933.5K.

Waarom is het smeltpunt belangrijk?

Het belang van het smeltpunt moet worden erkend omdat er industriële of hoge temperatuurtoepassingen bij betrokken zijn. De aluminiumgiettemperatuur of aluminiumlastemperatuur zijn belangrijk om te weten. Onvoldoende of onjuiste smelttemperatuur kan resulteren in structurele defecten en zwakte, slechte productieprestaties en fouten in warmtebehandelingen, lassen of andere methoden. Dit kan uiteindelijk leiden tot hogere kosten.

Verandering in volume voor een zuiver metaal (een kristallijne structuur) en glas (niet-kristallijne structuur) 

Kookpunt van aluminium

Het kookpunt van Al is 2,470 °C. Een hoger kookpunt betekent dat ionen dicht op elkaar zitten. Dit verhoogt hun bindingssterkte en uiteindelijk de kookpunt.

Smelttrajecten van veelgebruikte aluminiumlegeringen in de productie

In de industrie worden aluminiumlegeringen vaker gebruikt dan puur aluminium, waardoor het smelttraject doorgaans praktischer is dan één enkele smelttemperatuurwaarde.

Smeltpunten van gangbare aluminiumsoorten

De smelttemperaturen van aluminiumsoorten zijn aanzienlijk anders dan die van puur aluminium. Dit komt door hun samenstelling, structuur, vormen van aluminium en het percentage legeringselementen.

• Aluminiumlegering 6061: smelt bij 580 – 650°C
• Aluminium 6061 T6: smelt bij 582 - 652°C
• Aluminium 7075: smelt bij 475 – 635°C
• Aluminium 2024: smelt bij 500 – 635°C

Deze verschillen zijn ook van belang bij de productie, omdat het smelttraject van een aluminiumsoort van invloed kan zijn op:

• Lascontrole: Bij het lassen kunnen lagere smelttemperaturen een nauwkeurigere controle van de warmte-inbreng vereisen.
• Gietgedrag: Verschillende legeringen reageren verschillend bij warmtegebaseerde vormings- en gietprocessen.
• Materiaalselectie: Het smeltgedrag wordt vaak samen met de sterkte, corrosiebestendigheid en bewerkbaarheidVooral bij maatwerkprojecten of de productie van prototypes.
• Procesveiligheid: Een duidelijk smelttraject helpt bij het definiëren van veiligere thermische verwerkingslimieten.
• Prestaties van het onderdeel: Bij componenten die aan hitte worden blootgesteld, kan het smeltgedrag van de legering van invloed zijn op ontwerpbeslissingen.

Smelttemperatuur van aluminiumoxide

Aluminiumoxide heeft een hoger smeltpunt dan puur aluminium, dat 2,072 °C is. Dit komt doordat aluminiumoxide een ionische verbinding heeft met een covalent karakter. Het heeft een veel sterkere binding dan puur Al, dat meer energie nodig heeft om de binding te verbreken tijdens het smelten. Dit resulteert uiteindelijk in een hogere smelttemperatuur om een ​​vloeibare fase te krijgen.

De relatie tussen smeltpunt en andere fysische eigenschappen van aluminium

Fysieke eigenschappen zoals thermische eigenschappen zijn direct gerelateerd aan de smelttemperatuur van elk metaal. Deze eigenschappen zijn warmtecapaciteit, thermische geleidbaarheid en thermische uitzetting hebben invloed op hoe Al reageert onder verschillende temperaturen. Al I is ductiel of heeft ductiel breukgedrag onder alle soorten temperaturen. Maar de lagere temperaturen of cryogene temperaturen veranderen de eigenschappen van het materiaal. Deze veranderingen kunnen de taaiheid, duurzaamheid, ductiliteit en sterkte van aluminium beïnvloeden.

Verharding van aluminium

Factoren die het smeltpunt van aluminium beïnvloeden

Er zijn verschillende factoren die het smeltpunt van Al kunnen beïnvloeden.

Zuiverheid en legeringselementen

De zuiverheid van het metaal heeft een grote invloed op de smelttemperaturen. Als de hoeveelheid legeringselement hoger is, zal de smelttemperatuur anders zijn dan bij puur Al. Als silicium en ijzer worden toegevoegd, zal het smeltpunt lager zijn. Maar hun toevoeging heeft een groot effect op eigenschappen zoals trek- en druksterkte.

De rol van onzuiverheden bij het verlagen van het smeltpunt van aluminium

Veelvoorkomende onzuiverheden zoals koper, silicium of ijzer worden toegevoegd tijdens de extractie en verwerking van Al. Het smeltpunt daalt en de mechanische eigenschappen worden verhoogd met deze toevoegingen. Het beïnvloedt in eerste instantie de faseovergang en stabiliteit van metaal, wat vervolgens de smeltpunten verandert.

De impact van microstructuren op het smeltgedrag van aluminium

Als de korrelgrootte kleiner is in microstructuur, beweegt het smeltpunt naar het lagere punt en neemt de smeltwarmte af. Coating op aluminium onderdelen verhoogt het smeltpunt.

Druk

Ook druk heeft een grote invloed op het smeltgedrag van metaal.

Effect van druk op smeltpunt

Als de druk hoog is, zou het smeltpunt voor aluminium toenemen. Dit betekent dat wanneer er hoge druk wordt toegepast, er meer hitte nodig is om het metaal te smelten. Maar alleen ijs of water hebben in dit geval een zeldzame uitzondering. Het smelt wanneer er druk wordt toegepast.

Verwarmingssnelheid

Het smeltgedrag verandert ook met de mate van verhitting.

Snelle verwarming versus langzame verwarming

 Als de verwarmingssnelheid langzaam is, zorgt dit voor meer geleidelijke en gecontroleerde veranderingen in de structuur. Het resulteert in een nauwkeurige bepaling van de smelttemperatuur. Een hogere verwarmingssnelheid resulteert in een hemisferische temperatuur en leidt tot een verhoogde smelttemperatuur. Dit fenomeen staat bekend als hysterese van de smelttemperatuur.

Toepassingen van het smeltpunt van aluminium

Smeltpunten kunnen van invloed zijn op het gieten, de lasbaarheid en de warmtebehandeling van aluminium.

Aluminium gieten

De giettemperatuur van aluminium moet gemiddeld zijn. Een lage smelttemperatuur resulteert in defecten zoals krimp vanwege een lage vloeibaarheid. Hogere temperaturen kunnen hete scheuren en porositeit in het uiteindelijke onderdeel veroorzaken.

Koelcurve van Al-gieten

Aluminium lassen

De temperatuur van het aluminium lassen moet geschikt zijn om lasresultaten te krijgen. Een lagere smelttemperatuur kan koudscheuren veroorzaken. Temperatuurverschil is direct gerelateerd aan de snelheid van warmteverlies.

Fusie-lasprocessen

Een verkeerde aluminium lastemperatuur kan leiden tot een verminderde versmelting van het lasmetaal met het basismetaal. Een verkeerde warmte-instelling of smeltpunt kan een gebrek aan penetratie veroorzaken, wat lasscheuren kan veroorzaken.

Lasprocessen in vaste toestand

Hogere of lagere aluminium lastemperaturen kunnen de lassen verzwakken. Lagere temperaturen zorgen voor minder penetratie en zwakke lasplekken. Hogere temperaturen verzwakken de aluminium onderdelen door overmatige warmtetoevoer.

Het meten en regelen van het smeltpunt van aluminium

Het juiste smeltpunt en het correct bereiken van het smeltpunt worden gecontroleerd met behulp van meetinstrumenten en controleparameters.

Temperatuurmeetinstrumenten

Er zijn veel temperatuurmeetinstrumenten zoals thermokoppels, thermometers, temperatuurlabels, pyrometers, thermistoren en slimme sensoren. Veelvoorkomende instrumenten worden hieronder besproken:

Thermokoppels

Het is een temperatuurmeetsensor. Het bestaat uit twee verschillende metalen draden die aan één kant met het instrument zijn verbonden. Dit kan de invoer van een thermokoppel accepteren en de metingen meten.

Pyrometers

Dit apparaat meet relatief hogere temperaturen, zoals voor ovens. De meeste werken door straling van het ovenlichaam te meten. Dit heeft een extra veiligheidsvoordeel om contact met de hete oven te vermijden.

Methoden voor het bepalen van het smeltpunt

Smeltpunt kan worden bepaald met veel methoden. De meest voorkomende zijn capillaire methode, differentiële scanning en hot stage microscopie.

Differentiële scanningcalorimetrie (DSC)

Het is een thermisch analyseapparaat. Dit meet de verandering van fysieke eigenschappen met de temperatuur en tijd. De temperatuur en warmtestroom gerelateerd aan het gedrag van het materiaal met betrekking tot tijd en temperatuur kunnen worden gemeten door DSC.

Hot Stage Microscopie

Het is een combinatie van thermische analyse en microscopie. Dit helpt bij het bestuderen van het gedrag van het materiaal met betrekking tot tijd en temperatuur.

Vergelijking van het smeltpunt van aluminium met andere metalen

Wat smelt sneller, aluminium of staal?

Aluminium smelt sneller omdat het een smelttemperatuur heeft van 660°C, terwijl staal een smelttemperatuur heeft van 1370°C.

Smeltpunt aluminium versus koper

Al heeft een lager smeltpunt. Al smelt bij 660°C, terwijl koper smelt bij 1084°C

Smeltpunt aluminium versus ijzer

Al heeft een lager smeltpunt. Al smelt bij 660°C, terwijl ijzer smelt bij 1510°C

Smeltpunt van messing versus aluminium

Al heeft een lager smeltpunt. Al smelt bij 660°C, terwijl messing smelt bij 930°C

FAQ

Welk metaal is het gemakkelijkst te smelten?

Kwik heeft het laagste smeltpunt, namelijk -39 °C

Kan een gasfornuis aluminium doen smelten?

Nee, gasfornuizen kunnen geen aluminium smelten. De temperatuur is namelijk niet hoog genoeg om aluminium te laten smelten.

Temperatuur en warmtebron

Temperatuur is gelijk aan constante bron van warmtetoevoer. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer het object verwarmd zou worden.

Waarom kunnen aluminium onderdelen het begeven voordat ze smelten?

Aluminium onderdelen kunnen bezwijken voordat ze smelten, omdat hitte het materiaal verzwakt lang voordat het vloeibaar wordt. Naarmate de temperatuur stijgt, kan aluminium zachter worden, vervormen of aan sterkte verliezen, waardoor het onderdeel tijdens gebruik kan bezwijken, zelfs onder het smeltpunt.

Welk metaal heeft het hoogste smeltpunt?

Wolfraam heeft een extreem hoog smeltpunt van 3,399°C.

Wat is het vriespunt van aluminium?

Het vriespunt van aluminium ligt rond de 660.3 °C (1220.5 °F), wat vrijwel gelijk is aan het smeltpunt onder normale omstandigheden. Voor aluminiumlegeringen wordt het vriespunt meestal aangegeven als een temperatuurbereik in plaats van één exacte temperatuur.