درجة انصهار عنصر الألومنيوم النقي (Al، 99.99% أو الدرجة التقنية) هي 660.32 درجة مئوية (933.47 درجة مئوية؛ 1220.58 درجة فهرنهايت). من الناحية العملية، تُظهر سبائك الألومنيوم والسبائك الهندسية التجارية نطاقات انصهار أقل أو أوسع: تبدأ السبائك المصبوبة النموذجية في الذوبان (الصلابة) من 500-620 °C والانتهاء من الذوبان (السائل) حتى 640-660+ °C، حسب التركيبة.
التعريف الأساسي: نقطة الانصهار مقابل نقطة التصلب والسائل
تشير "نقطة الانصهار" عادةً إلى درجة حرارة الاندماج المتوازن لمادة بلورية نقيةحيث تتعايش المرحلتان الصلبة والسائلة. بالنسبة للألمنيوم النقي، تكون هذه درجة حرارة واحدة محددة بدقة. أما بالنسبة للسبائك، فيحدث الانصهار على نطاق: درجة الحرارة الصلبة هي درجة الحرارة التي يبدأ عندها الانصهار (يظهر السائل الأول)، ودرجة الحرارة سائل حيث يكتمل الذوبان (تختفي آخر مادة صلبة). في الممارسة الهندسية، كلتا النقطتين النهائيتين مهمتان لأن نوافذ المعالجة والبنى المجهرية تعتمد على مقدار السائل الموجود عند درجة حرارة معينة.
القيمة القياسية المقبولة للألمنيوم النقي
تتفق المصادر عالية الجودة على درجة حرارة الاندماج المقبولة لعنصر الألمنيوم:
-
المعهد الوطني للمعايير والابتكار والتكنولوجيا/كتاب الكيمياء على الإنترنت وقواعد البيانات الحرارية والكيميائية الحرارية تشير إلى أن نقطة الاندماج هي ~933.47 ك = 660.32 درجة مئوية (1220.58 درجة فهرنهايت). هذه هي القيمة المستخدمة في الجداول الفيزيائية الحرارية.
-
تقدم الملخصات المرجعية (كتيب CRC Handbook، الجدول الدوري RSC، Britannica) نفس الرقم (660.3 درجة مئوية)، وأحيانًا يتم تقريبه إلى 660 درجة مئوية.
تستند هذه القيم الموثوقة إلى قياسات عالية الدقة لقياس السعرات الحرارية ونقطة الانصهار وهي خط الأساس لصحائف بيانات المواد.
الخلفية الديناميكية الحرارية والبلورية
يمتلك الألومنيوم شبكة بلورية مكعبة محورها الوجه (fcc) (α-Al)، وهي مستقرة حتى نقطة الانصهار. يتطلب الذوبان كسر الترتيب بعيد المدى للشبكة: يتم وصف توازن الفونونات والطاقة الرابطة ديناميكياً حرارياً من خلال فرق الطاقة الحرة بين السائل والصلب. حرارة الانصهار للألومنيوم متواضعة (≈ 10.7 كيلوجول/مول)، وهو ما يتطابق مع درجة حرارة الانصهار المنخفضة نسبيًا مقارنةً بالمعادن الحرارية. نظرًا لأن شبكة fcc توفر العديد من أنظمة الانزلاق، فإن الألمنيوم الصلب قابل للسحب حتى ظروف الانصهار القريب من الانصهار.
كيف تغير عناصر السبائك والشوائب سلوك الانصهار
تؤثر عناصر السبائك على فترة الانصهار عن طريق تغيير التوازنات الديناميكية الحرارية:
-
انخفاض نقطة الانصهار: تخفض العديد من عناصر السبائك (Si، والنحاس، والمغنيسيوم، والزنك، والحديد) من الصلابة أو تخلق نطاق انصهار لأنها تذوب في شبكة الألومنيوم أو تشكل ذوبانًا منخفضًا.
-
أنظمة سهلة الانصهار: تحتوي بعض سبائك الألومنيوم الثنائية أو متعددة المكونات على تفاعلات سهلة الانصهار تنتج سائلًا موضعيًا عند درجات حرارة أقل بكثير من 660 درجة مئوية. على سبيل المثال، تُظهر سبائك Al-Si المصبوبة ذوبانًا سهل الانصهار عند حوالي 577 درجة مئوية اعتمادًا على جزء Si.
-
الدرجات العالية النقاء مقابل الدرجات التقنية: يُظهر الأل فائق النقاء (99.999%) أعلى درجات الذوبان؛ وقد تُظهر الدرجات التجارية ذات الشوائب النزرة اتساعًا متواضعًا في نطاق الذوبان.
-
الفصل والبنية المجهرية: أثناء عملية التصلب، يتسبب تجزئة المذاب في حدوث تكتل دقيق يؤثر على سلوك الذوبان المحلي أثناء إعادة التسخين أو اللحام.
الآثار الهندسية: استخدم دائمًا بيانات السبيكة الصلبة/السائلة الخاصة بالسبائك (وليس بيانات العنصر 660.32 درجة مئوية) عند ضبط درجات حرارة الفرن أو اللحام.
السبيكة الصلبة والسائلة: سبائك مختارة (جداول)
ألومنيوم نقي (مرجعي)
| الممتلكات | القيمة |
|---|---|
| نقطة الانصهار (Tfus) | 660.32 °C |
| كلفن | 933.47 K |
| فهرنهايت | 1,220.58 °F |
| حرارة الاندماج (ΔHf) | ≈ 10.67 كيلوجول/مول |
| الكثافة (صلب بالقرب من RT) | 2.70 جم-سم3 |
السبيكة الصلبة/السائلة التمثيلية لسبائك الألومنيوم الشائعة (النطاقات النموذجية)
ملاحظة: تختلف نطاقات السبائك باختلاف التركيب والتحكم في درجة الحرارة وطريقة القياس والمعايير (انظر أوراق بيانات السبائك).
| عائلة السبيكة | التصلب النموذجي (درجة مئوية) | السائل النموذجي (درجة مئوية) | تعليق |
|---|---|---|---|
| 1xxx (آل نقي) | 660 | 660 | نقطة واحدة في الأساس |
| 2xxx (سلسلة Al-Cu، على سبيل المثال، 2024) | 502-505 | 635-640 | فترة انصهار واسعة بسبب المعادن البينية |
| 3xxx (Al-Mn، على سبيل المثال، 3003) | ≈ 640 | ≈ 650 | نطاق أضيق، قابل للتقسية أثناء العمل |
| 4xxx (أل-سي المصبوب/القضيب، على سبيل المثال، 4032) | 577 | 615 | انصهار سائل الأل-سي المنخفض الانصهار |
| 5xxx (Al-Mg، على سبيل المثال، 5083) | ≈ 570-620 | ≈ 625-640 | يؤثر محتوى المغنيسيوم على النطاق |
| 6xxx (Al-Mg-Si، على سبيل المثال، 6061) | ≈ 555-640 | ≈ 640-650 | سبائك البثق النموذجية |
| 7xxx (Al-Zn، على سبيل المثال، 7075) | ≈ 477-610 | ≈ 608-635 | يمكن أن تحتوي على رواسب منخفضة الذوبان |
| السبائك المصبوبة (Al-Si) | 520-570 | 575-640 | سيولة صب جيدة في درجات الحرارة المنخفضة |
(النطاقات المذكورة أعلاه توضيحية؛ راجع أوراق بيانات موردي السبائك أو أوراق جمعية ASM/Aluminium Association لمعرفة الصلابة/السائل الدقيق).
العواقب العملية للصهر والصب واللحام
-
ممارسة السباكة: بالنسبة للصهر والتثبيت، تحافظ المسابك عادةً على درجات حرارة الفرن 50-150 °C فوق سائل السبيكة لضمان السيولة وإزالة الغازات والحرارة الفائقة اللازمة للصب. بالنسبة للألومنيوم النقي، قد يعني ذلك تثبيت الذوبان عند درجة حرارة تتراوح بين 720 و800 درجة مئوية تقريبًا حسب طريقة الصب والوقت.
-
اللحام/اللحام بالنحاس: يجب أن يتجنب التسخين الموضعي (مثل TIG، MIG) تجاوز درجة صلابة السبائك بالقرب من الوصلات؛ يتم اختيار درجات الحرارة المسبقة أو درجات الحرارة البينية لمنع انصهار المناطق المتأثرة بالحرارة. يستخدم اللحام واللحام بالنحاس معادن حشو ذات نقاط انصهار أقل.
-
المعالجة الحرارية: تكون المعالجات بالمحلول أقل بكثير من درجات حرارة الذوبان ولكن يجب اختيارها بحيث تذوب البنية المجهرية أطوار التقوية دون الاقتراب من الذوبان الأولي (الذي يحدث بالقرب من الصلابة حيث تذوب المكونات منخفضة الذوبان).
-
إعادة التدوير: تمزج الخردة بين الدرجات المصبوبة والمطاوعة؛ ويهيمن على سلوك الانصهار المكونات الأقل انصهارًا ووجود الملوثات (مثل الزنك والرصاص)، لذلك فإن التحكم في العملية والتدفق ضروريان.
طرق القياس والمعايرة وعدم اليقين
تقنيات القياس الشائعة:
-
القياس الحراري بالمسح التفاضلي (DSC): يقيس التدفق الحراري؛ يوفر درجات حرارة بداية (تصلب) وذروة (اندماج) دقيقة للعينات الصغيرة. معايير المعايرة (مثل الإنديوم والزنك) مطلوبة للحفاظ على دقة يمكن تتبعها.
-
التحليل الحراري التفاضلي (DTA): مشابه لـ DSC؛ أرخص ولكن مع قدر أكبر من عدم اليقين.
-
قياس البيرومترية / الطرق البصرية: تُستخدم على نطاق المسابك لمراقبة درجات حرارة الحمام؛ حيث إن الانبعاثية والمعايرة أمران مهمان، وتقيس البيرومترات درجة حرارة السطح وليس التوازن الداخلي.
-
جهاز نقطة الانصهار/أنبوب شعري: الطرق المختبرية التقليدية للمواد النقية.
مصادر عدم اليقين: نقاوة العينة، ومعدل التسخين (المعدلات الأعلى تغير درجات حرارة البداية المرصودة)، والغلاف الجوي (الأكسدة ترفع درجات الحرارة الظاهرية عن طريق العزل)، ومعايرة الأداة. بالنسبة للاحتياجات عالية الدقة، استخدم مواد مرجعية قياسية وأبلغ عن طريقة القياس ومعدل التسخين.
مخططات الأطوار والظواهر الانصهارية
توضح المخططات الطورية (ثنائية ومتعددة المكونات) المراحل المستقرة عند تركيبات ودرجات حرارة معينة. الملامح الرئيسية لأنظمة الألومنيوم:
-
ثنائية Al-Si: نظام الصب الشائع مع سبيكة سهلة الانصهار حوالي 12.6 وات% Si؛ درجة حرارة سهلة الانصهار أقل بكثير من الألومنيوم النقي (≈ 577 درجة مئوية لسبيكة Al-Si سهلة الانصهار). هذا هو السبب في اختيار سبائك Al-Si المصبوبة لدرجات حرارة الصب المنخفضة والسيولة الجيدة.
-
Al-Cu، Al-Mg، AlZn: تُظهر هذه الأنظمة معادن بينية ومراحل أولية معقدة تعطي قوة ولكنها تخلق أيضًا تعقيدًا في نطاق الذوبان.
-
التفاعلات الثلاثية: السبائك الهندسية الحقيقية متعددة المكونات؛ تُستخدم المخططات الطورية مع الديناميكا الحرارية الحسابية (CALPHAD) للتنبؤ بتكوين السائل/الصلب وتكوين الرواسب.
حرارة الانصهار وتغير الكثافة والخصائص الفيزيائية الحرارية عند الانصهار
أرقام مهمة لنمذجة العمليات:
-
حرارة الاندماج ΔHf: ≈ 10.67 كيلوجول/مول (≈ 397 J/g).
-
تغير الكثافة: كثافة الألومنيوم الصلب عند RT ~ 2.70 جم-سم مكعب؛ تنخفض الكثافة عند الذوبان - كثافة السائل النموذجي قرب الذوبان ≈ 2.37 جم-سم مكعب. هذا الانكماش/التوسع مهم لحسابات انكماش الصب.
-
الحرارة النوعية والتوصيل الحراري: ويزداد كلاهما قرب الانصهار؛ وتنخفض الموصلية الحرارية بشكل حاد عندما تصبح المادة الصلبة سائلة. تتطلب النماذج الدقيقة للتصلب خواص تعتمد على درجة الحرارة.
السلامة والأكسدة والتحكم في جو الفرن
يتأكسد الألومنيوم بسهولة، وتتشكل طبقة الأكسيد (Al₂O₃) على الفور تقريبًا وتزيد من متطلبات ذوبان السطح لتدفق المعدن النظيف. تدابير عملية:
-
التحكم في التدفق والخبث: تعمل التدفقات والقشط على إزالة الأكاسيد والشوائب؛ ويحتوي الخبث على أكاسيد محتبسة ويجب التعامل معه بأمان.
-
الأجواء الخاملة أو المختزلة: بالنسبة للصهر المختبري والسبائك المتخصصة، يحد الغاز الخامل (الأرجون) أو الأجواء المختزلة من الأكسدة. أما بالنسبة لعمليات المسابك السائبة، فإن التدفق وتصميمات الأفران الجيدة هي المعيار.
-
تجنب التلوث: تجنب ملامسة الماء بالقرب من المعدن المنصهر (خطر حدوث انفجارات بخارية). يمكن أن يسبب الخبث والملوثات ذات درجات الانصهار المنخفضة (مثل التلوث بالزنك أو الرصاص) تناثرًا خطيرًا.
نقاط الضبط الصناعية النموذجية واستراتيجيات التحكم في نقاط الضبط الصناعية النموذجية
تعتمد ممارسة السبك والصهر على الأداء:
-
نقطة ضبط فرن الصهر لسبائك الصب العامة: عادةً 700-760 °Cاعتمادًا على السبيكة والحرارة الفائقة المطلوبة.
-
درجات حرارة الانتظار: تعتمد على الوقت في المغرفة والتعرض؛ الحفاظ على حرارة فائقة كافية لنقل المعدن ولكن مع تقليل الأكسدة ونمو الحبيبات.
-
المراقبة المستمرة: تُستخدم المزدوجات الحرارية (النوع B، S) ومقاييس البيرومتر الضوئية مع المعايرة المنتظمة. بالنسبة للسبائك الحرجة، يؤكد تحليل العينات التركيب قبل الصب.
مثال على القياس (كيفية الإبلاغ عن بيانات الذوبان لسبيكة جديدة)
عند الإبلاغ عن سلوك انصهار سبيكة مصبوبة في المختبر، قم بتضمين:
-
التركيب الكيميائي للسبائك (بالوزن % للعناصر الرئيسية)
-
طريقة القياس (DSC/DTA/Pyrometer) ومعدل التسخين
-
الصلابة والسوائل المرصودة مع عدم اليقين (على سبيل المثال، الصلابة = 578 ± 2 درجة مئوية، السائل = 613 ± 2 درجة مئوية)
-
تحضير العينة والغلاف الجوي (الأرجون، الهواء)
-
ملاحظات البنية المجهرية (الأطوار سهلة الانصهار، البلورات الأولية)
-
مرجع لمعايير المعايرة المستخدمة
الأسئلة الشائعة
1. ما درجة انصهار الألومنيوم النقي؟
660.32 درجة مئوية (933.47 درجة مئوية؛ 1220.58 درجة فهرنهايت) هي درجة حرارة الاندماج المقبولة لعنصر الألومنيوم.
2 لماذا تنصهر سبائك الألومنيوم عند درجات حرارة مختلفة؟
تعمل عناصر السبائك والشوائب على تغيير توازنات الطور، وتكوين سهل الانصهار، وإنتاج بنى مجهرية متعددة الأطوار تنصهر على نطاق درجة حرارة (الصلبة → السائلة).
3. ما الفرق بين الصلب والسائل؟
إن سوليدوس هي درجة الحرارة التي يبدأ عندها الانصهار؛ و سائل حيث يكتمل الانصهار. وبينهما تكون المادة عبارة عن خليط من مادة صلبة + سائلة.
4. كيف يمكنني اختيار درجة حرارة الفرن لصهر سبيكة ألومنيوم؟
اختر درجة حرارة أعلى من سائل السبيكة بمقدار مناسب من الحرارة الفائقة (عادةً 50-150 درجة مئوية) لضمان السيولة مع تقليل الأكسدة والتقاط الغازات.
5. هل ترفع الشوائب درجة انصهار الألومنيوم أم تخفضها؟
الشوائب الأكثر شيوعًا أقل درجة حرارة الانصهار الفعالة (انخفاض نقطة الانصهار) أو تكوين ذوبان منخفضة الانصهار. تعتمد الاستثناءات على سلوك طوري محدد.
6. هل أكسيد الألومنيوم (الألومينا) هو نفسه درجة انصهار الألومنيوم؟
لا يوجد Al₂O₃ (الألومينا) يذوب عند درجة حرارة أعلى بكثير (حوالي 2000 درجة مئوية) من الألومنيوم المعدني (≈ 660 درجة مئوية). تعمل طبقة الأكسيد على تعقيد عملية الذوبان والصب ولكنها لا تغير درجة انصهار العنصر.
7 ما مدى دقة قياسات درجة الانصهار؟
يمكن أن يحل DSC المختبر DSC/DTA عمليات الذوبان في المختبر إلى ± 0.5-2 درجة مئوية مع المعايرة المناسبة؛ أما قياس البيرومترية الصناعية فلديه شكوك أكبر بسبب الانبعاثية والتأثيرات السطحية.
8. هل يمكنني صهر الألومنيوم في فرن كهربائي في المنزل؟
يمكن صهر الألومنيوم على نطاق صغير ولكنه يتطلب معدات مناسبة (بوتقة حرارية، وتدفق، وتهوية). مخاطر السلامة (المعدن الساخن، والأبخرة، وملامسة الماء) تجعلها محفوفة بالمخاطر بالنسبة للهواة غير المدربين.
9. ما علاقة الصهر بإعادة تدوير الألومنيوم؟
تمزج التيارات المعاد تدويرها السبائك المعاد تدويرها مع التلوث؛ ويتحدد سلوك الانصهار بالمكونات الأقل انصهارًا والملوثات (مثل الزنك والرصاص)، لذا فإن الفرز والتدفق ضروريان للحفاظ على الجودة.
10. أين يمكنني العثور على بيانات موثوقة عن سبيكة معينة من السبيكة الصلبة/السائلة؟
استخدم أوراق بيانات السبائك (جمعية الألومنيوم، ASM، MatWeb، CRC)، ومجموعات المخططات البيانية الطورية التي راجعها الأقران، وقواعد بيانات CALPHAD للحصول على بيانات دقيقة خاصة بالسبائك عن درجة الحرارة.
جداول عملية للمهندسين
مرجع التحويل السريع
| الوحدات | القيمة |
|---|---|
| K | 933.47 K |
| °C | 660.32 °C |
| °F | 1,220.58 °F |
درجات حرارة المعالجة الموصى بها
| العملية | نوع السبيكة | النطاق الموصى به |
|---|---|---|
| الصهر (المسبك) | سبائك Al-Si المصبوبة | 700-760 °C |
| الصهر (المسبك) | السبائك المشغولة (خلائط إعادة التدوير) | 720-780 °C |
| الحجز (قصير الأجل) | جنرال لواء | سائل + 50-100 درجة مئوية |
| الحذر من معالجة المحلول | سبائك ذات ذوبان منخفضة الانصهار | الحفاظ على ≤ (الصلبة - 10 درجات مئوية) لتجنب الذوبان الأولي |
ملاحظات موثوقة وأفضل الممارسات للتوثيق
-
دائماً اقتباس طريقة القياس والمعايرة عند نشر بيانات الذوبان.
-
عند تحديد درجات حرارة المعالجة في العقود أو الرسومات، اذكر ما يلي سوليدوس/سائل صلب/سائل سائل (وليس فقط درجة انصهار العناصر).
-
الاستخدام معايير يمكن تتبعها وشهادات الموردين عندما يكون سلوك السبيكة أمرًا بالغ الأهمية لقبول المنتج.
القيود وما يجب الانتباه إليه
-
تفترض قيم الذوبان المنشورة التوازن الديناميكي الحراري؛ يمكن أن يؤدي التسخين أو التبريد السريع إلى تغيير السلوك الملاحظ.
-
تؤدي الاختلافات الصغيرة في نقاء العينة وأكاسيد السطح إلى إزاحة نقاط البداية المقيسة.
-
تتطلب الأنظمة متعددة المكونات ديناميكا حرارية حسابية للتنبؤ الدقيق بما يتجاوز المخططات الطورية الثنائية.
الملخص الختامي
يذوب الألومنيوم النقي عند 660.32 درجة مئوية (933.47 درجة مئوية؛ 1220.58 درجة فهرنهايت). بالنسبة للأعمال الهندسية، ومع ذلك, تركيب السبيكة، والبنية المجهرية، وتاريخ المعالجة تحديد درجات الحرارة الفعلية التي يبدأ عندها الانصهار ويكتمل. من أجل ممارسة الصب واللحام والمعالجة الحرارية الآمنة، اعتمد على السبيكة الخاصة بالسبائك الصلبة والسائلة قيم من معايير وموردين معترف بهم، وتطبيق الحرارة الفائقة المناسبة، والتحكم في الغلاف الجوي وتكوين الخبث.
AR 
EN 
JA 
KO 
DE 
IT 
ES