銅の合金化

液体状態は固体状態と気体状態の間の中間状態です。固体金属は多数の粒子で構成され、気体金属は弾性球に似た単一の原子で構成され、液体金属は多数の原子グループで構成されます。

1. 液体金属の構造的特徴

液体状態は固体状態と気体状態の間の中間状態です。固体金属は多数の結晶粒から構成され、気体金属は弾性球に似た単一原子から構成され、液体金属は多数の原子団から構成されており、それぞれの構造には次のような特徴があります。

(1) 各原子団には十数個から数百個程度の原子が含まれており、原子団内に強い結合エネルギーが保たれており、固体の配列特性を保つことができます。しかし、原子団間の結合は大きく損なわれており、原子団間の距離は比較的大きく、穴があいているように緩くなっています。

(2) 液体金属を構成する原子団は非常に不安定で、大きくなることもあれば小さくなることもあります。原子グループをグループ内に残し、他の原子グループに参加したり、原子グループを形成したりすることも可能です。

(3) 原子団の平均サイズと安定性は温度に関係します。温度が高くなるほど、原子団の平均サイズは小さくなり、安定性は悪くなります。

(4) 金属中に他の元素が存在する場合、原子間の結合力の違いにより、結合力の強い原子が集まり、同時に他の原子を反発する傾向があります。そのため、原子団間の組成の不均一性、つまり濃度のばらつきも生じ、時には不安定な化合物や安定な化合物が生成されることもあります。

2. 溶解と溶解

合金の製錬プロセスでは、溶融と溶解という 2 つのプロセスが同時に発生します。合金が特定の温度に加熱されると、溶融が始まり、その熱力学的状態は過熱状態になります。溶解とは、固体金属が金属溶融物によって侵食され、溶液に入り、固体から液体への変態プロセスを実現することを意味します。溶解には加熱は必要ありませんが、温度が高いほど溶解速度は速くなります。

実際、合金元素の融点が銅合金溶液の温度より高い場合にのみ、合金元素が溶湯に入るプロセスは純粋な溶解プロセスとなります。例えば、銅合金では、構成要素である鉄、ニッケル、クロム、マンガン、および非金属元素であるシリコン、炭素などは、その中で溶解プロセスを有すると理解されています。実際には、溶解プロセスと溶解プロセスの両方が同時に起こり、溶解プロセスが溶解プロセスを促進します。

金属の溶解速度に影響を与える要因は数多くあります。

まず、温度が高いほど溶解はより有利になります。

次に、溶解する物体の表面積に関係しており、表面積が大きいほど溶解速度は速くなります。

金属の溶解速度は、溶融物の動きにも関係します。溶融物が流れるときの溶解速度は、静止した溶融物中の金属の溶解速度よりも大きく、溶融物の流れが速ければ速いほど、溶解速度も速くなります。

溶解と合金化

合金が最初に作られたときは、溶解が難しい（融点が高い）成分から溶解を開始する必要があると考えられていました。たとえば、ニッケル80%と20%の銅ニッケル合金を最初に製造したとき、融点1451℃のニッケルを最初に溶かし、次に銅を加えました。銅を溶かして1500℃まで加熱してからニッケルを加えて溶かす場合もあります。合金理論、特に溶液理論が開発された後、上記の 2 つの溶解方法は廃止されました。

非合金元素の析出

金属や合金中の非合金元素の継続的な増加と析出には多くの理由があります。

金属装入物に不純物が持ち込まれる

当社工場の生産工程で発生する加工廃材は、繰り返し使用したとしても、様々な要因により仕込み中の不純物元素の含有量は増加していきます。材料を混合したり、出所が不明瞭な大量に購入した材料を使用したりする場合、考えられる不純物や考えられる影響はさらに予測不可能であることがよくあります。

炉内ライニング材の選択が不適切

溶融物中の特定の元素は、溶融温度で化学反応する可能性があります。