可溶合金

可溶合金とは、比較的低温で容易に溶解する、つまり容易に溶けることのできる金属合金です。可溶合金は一般的に共晶合金ですが、必ずしもそうとは限りません。

「可溶合金」という用語は、融点が 183 °C (361 °F、456 K) 未満の合金を指すために使用されることがあります。この意味での可溶合金は、はんだ付けに使用されます。

導入

可融性合金は、通常、低融点金属から作られています。実用的な取り扱いに安定している低融点金属元素は 14 種類あります。これらは 2 つの明確なグループに分かれています。5 種類のアルカリ金属は 1 個の s 電子を持ち、+181 (Li) から +28 (Cs) 摂氏の間で融解します。9 種類の貧金属は 10 個の d 電子を持ち、p 電子は 0 (Zn、Cd、Hg) から 3 個 (Bi) まであり、-38 (Hg) から +419 (Zn) 摂氏の間で融解します。実用的な観点から、低融点合金は次のカテゴリに分類できます。

水銀含有合金
アルカリ金属含有合金のみ
ガリウム含有合金（アルカリ金属や水銀は含まない）
ビスマス、鉛、スズ、カドミウム、亜鉛、インジウム、および場合によってはタリウムを含む合金のみ
その他の合金（ほとんど使用されない）

ここでの実際的な理由は、アルカリ金属の化学的挙動が不良金属とは非常に異なるということです。9 つの不良金属のうち、Hg (mp -38 C) と Ga (mp +29 C) はそれぞれに明確な実際的な問題があり、In (mp +156 C) から Zn (mp +419 C) までの残りの 7 つの不良金属は一緒に考えることができます。関連していると見なされるかもしれませんが、不良金属の明確な特性を共有していない元素は次のとおりです。Po は 254 C で融解すると推定され、特性からすると不良金属である可能性がありますが、実用には放射能が強すぎます (最長半減期 125 年)。Po と同じ理由で、Sb は 630 C で融解し、不良金属ではなく半金属と見なされます。Te も不良金属ではなく半金属と見なされます。他の金属では、次に融点が低いのは Pu ですが、融点が 640 C であるため、Zn と Pu の間に 220 度の差があり、したがって In から Zn までの「不良金属」は自然なグループになります。

比較的よく知られている可溶合金としては、ウッド金属、フィールド金属、ローズ金属、ガリンスタン、NaKなどがあります。

アプリケーション

溶融した可溶合金は加熱下でも安定しており、他のほとんどの冷却剤よりもはるかに高い熱伝導率が得られるため、冷却剤として使用できます。特に、インジウムやナトリウムなどの高熱伝導率金属で作られた合金では高い熱伝導率が得られます。中性子断面積の小さい金属は、原子炉の冷却に使用されます。

このような合金は、蒸気ボイラーの炉頂部に挿入される可溶性プラグの製造に使用され、水位が下がりすぎた場合の安全装置として使用されます。水位が下がりすぎると、プラグは水で覆われなくなり、加熱されて溶け、ボイラーの内容物が炉に逃げます。自動消火スプリンクラーでは、各スプリンクラーの開口部は可溶性金属で固定されたプラグで閉じられており、室内で火災が発生して温度が所定の限度を超えると、可溶性金属が溶けて水が放出されます。^[1]

ビスマスは凝固すると体積比で約3.3%膨張します。ビスマスが少なくとも半分含まれる合金もこの特性を示します。^[2]これは、小さな部品をしっかりと固定するため、機械加工などの取り付けに使用できます。^[要出典]

低融点合金および金属元素

よく知られている合金

その他の合金

構成元素と選択された二元系および多重系の表を融点順に並べたものから始めます。

次に、実際のグループと成分のアルファベット記号で整理します。2 成分金属システムのペアワイズ状態図のほとんどには、https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/diagrams.php のように分析に使用できるデータがあります。Hg と Ga 以外の 7 つの貧金属のペアワイズ合金を取り、これらの元素 Bi、Cd、In、Pb、Sn、Tl、Zn のアルファベット順にペア (合計 21) を並べると、次のようになります。

Bi-Cd https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Bi-Cd.php 単純共晶（Bi 271℃、Cd 321℃、共晶 146℃）
Bi-In https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Bi-In.php には、上の表の +72 で共晶となる順序相があります。
Bi-Pb https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Bi-Pb.php 共晶 +125 - 上記の表
Bi-Sn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Bi-Sn.php 共晶 +139 - 上記の表
Bi-Tl https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Bi-Tl.php 金属間合金と+188の低融点共晶
Bi-Zn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Bi-Zn.php 共晶 +255
Cd-In https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cd-In.php 共晶 +128
Cd-Pb https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cd-Pb.php 共晶 +248
Cd-Sn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cd-Sn.php 共晶 +176
Cd-Tl https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cd-Tl.php 共晶点 +204
Cd-Zn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cd-Zn.php 共晶 +266
In-Pb https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/In-Pb.php は共晶ではありません。In中のPb固溶体は融点を上げるだけだからです。
In-Sn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/In-Sn.php 共晶点 +120
In-Tl https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/In-Tl.php も共晶ではない。In中のTl固溶体は融点を上昇させるからである。
In-Zn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/In-Zn.php 共晶 +143
Pb-Sn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Pb-Sn.php 上の表の +183 の共晶
Pb-Tl https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Pb-Tl.php も共晶ではありません。固溶体は成分よりも融点が高いためです。
Pb-Zn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Pb-Zn.php 共晶 +318
Sn-Tl https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Sn-Tl.php 共晶 +168
Sn-Zn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Sn-Zn.php 共晶 +198 - 上記の表
Tl-Zn https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Tl-Zn.php 共晶 +292

アルカリ金属間の二元系を考慮すると、Liはペアでのみ顕著な溶解度を持つ。

Li-Na https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Li-Na.php +92 の共晶

他の3つのアルカリ金属:

K-Li https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/K-Li.php
Li-Rb https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Li-Rb.php
Cs-Li https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cs-Li.php

液体であってもLiをほとんど溶解しないため、Liの存在によって融点が下がることはありません。Naは液相では3つのより重いアルカリ金属すべてと混和しますが、凍結すると金属間化合物と共晶を形成します。

K-Na https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/K-Na.php 上の表の -12,6 - の共晶
Na-Rb https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Na-Rb.php -4,5 での共晶
Cs-Na https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cs-Na.php -31,8 での共晶

3 つの重いアルカリ金属間の 3 つの二元系は、融点では固体として混和しますが、いずれも融点が最低の貧固溶体を形成します。これは共晶とは異なります。共晶点では、2 つの固相が共存し、共晶点に近づくと、1 つだけが分離するため液相線温度が急速に上昇しますが、貧固溶体の融点が最低の場合には、固相は 1 つだけであり、最低点から離れると液相線温度はゆっくりとしか上昇しません。

K-Rb https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/K-Rb.php 固溶体最小融点 +34
Cs-K https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cs-K.php 固溶体最小融点 -38 - 上記の表
Cs-Rb https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Cs-Rb.php 固溶体最小融点 +10

参照

参考文献

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さらに読む

ASTM B774—低融点合金の標準仕様。ASTM International。1900年。doi :10.1520/B0774。
ウェスト、RC、「CRC 化学および物理学ハンドブック」、第 55 版、CRC プレス、クリーブランド、1974 年、p. F-22

外部リンク

溶融合金（低温）
可融合金。2012年10月12日にオリジナルからアーカイブ。
ジェンソン、WB「歴史家に聞く - タマネギの可溶性合金」2016-03-04ウェイバックマシンにアーカイブ

[1] 前述の文の 1 つ以上には、現在パブリックドメインとなっている出版物のテキストが組み込まれています: Chisholm, Hugh編 (1911)。「Fusible Metal」。Encyclopædia Britannica。第 11 巻 (第 11 版)。Cambridge University Press。p. 369。

[2] 「FAQ」 2004-08-07時点のオリジナルよりアーカイブ。

[3] Oshe, RW (編)、「アルカリ金属の熱力学および輸送特性ハンドブック」、オックスフォード、英国、Blackwell Scientific Publications Ltd、1985 年、987 ページ

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