Temperatury topnienia metali i stali – tabela wartości w °C
Temperaturę wrzenia podano dla czystych pierwiastków przy ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego; dla wieloskładnikowych stopów nie ma jednej uniwersalnej wartości. Gęstość ma charakter porównawczy, zwykle dla ok. 20°C i materiału litego. Na wąskich ekranach tabelę można przewijać poziomo – oznaczenia gatunków i wartości nie są ściskane do jednej kolumny.
Jak czytać tabelę? Dla czystych metali podano temperaturę przemiany ciało stałe–ciecz przy ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego. Dla stali, żeliw i stopów – przedział topnienia albo zakres orientacyjny dla danej grupy. W praktyce nie należy zastępować danych konkretnego gatunku wartością uogólnioną, np. „stal nierdzewna 1510°C”.
Solidus i liquidus: w typowym stopie solidus to granica, poniżej której w stanie równowagi materiał pozostaje całkowicie stały, a liquidus to granica, powyżej której jest całkowicie ciekły. Pomiędzy nimi często współistnieją fazy stała i ciekła. Temperatura topnienia nie jest temperaturą dopuszczalnej eksploatacji ani temperaturą wyżarzania.
Temperatury topnienia pierwiastków – rozszerzona tabela metali i niemetali
Poniższe zestawienie uzupełnia tabelę główną o metale rzadkie, metale wysokotopliwe i pierwiastki obecne w stopach technicznych. Wartości zaokrąglono do dokładności przydatnej w opracowaniach materiałoznawczych; dla wybranych pierwiastków zaznaczono odmianę alotropową.
Dane uzupełniające o gęstości i temperaturze wrzenia zestawiono na podstawie Royal Society of Chemistry – układ okresowy oraz PubChem – gęstość pierwiastków; dla stali porównano także BSSA – zakresy topnienia stali nierdzewnych.
Temperatury wrzenia oraz gęstości pierwiastków są wartościami przybliżonymi i zależą od warunków odniesienia, czystości oraz odmiany strukturalnej. Wartość gęstości plutonu odnosi się do odmiany α, a fosforu – do odmiany białej.
Wartości dla pierwiastków zestawiono w oparciu o dane referencyjne, m.in. PubChem – tablica temperatur topnienia i Royal Society of Chemistry – układ okresowy. Fosfor biały topi się około 44°C, ale inne odmiany alotropowe fosforu mają inne zachowanie; nie należy przypisywać wartości 44°C wszystkim postaciom tego pierwiastka.
Temperatura topnienia stali nierdzewnych – gatunki EN, AISI i duplex
W przypadku stali odpornych na korozję warto używać numerów materiałowych EN, a nie jednej wartości dla całej rodziny. Skład chromu, niklu, molibdenu, azotu i węgla zmienia przebieg krzepnięcia, dlatego przedziały solidus–liquidus różnią się między gatunkami.
Granice solidus i liquidus są wartościami orientacyjnymi przypisanymi do opublikowanych zakresów topnienia gatunków. Nie stanowią osobnego wyniku pomiaru dla każdego wytopu; przy projektowaniu procesu należy sięgnąć do karty wybranego materiału.
Zakresy są wartościami porównawczymi, przede wszystkim zgodnymi z zestawieniem British Stainless Steel Association opartym na danych ASM i producentów. Oznaczenia gatunków oraz składy chemiczne należy odczytywać z odpowiednich norm materiałowych, np. PN-EN 10088-1:2024-06; norma ta nie zastępuje oddzielnej karty właściwości termicznych wybranego wytopu.
Temperatury topnienia stopów niklu – INCONEL, INCOLOY, MONEL i HASTELLOY
W nazewnictwie handlowym szczególnie ważne jest oznaczenie konkretnego stopu. Sama nazwa „Inconel” lub „Hastelloy” nie wyznacza temperatury topnienia, ponieważ obejmuje materiały o różnym składzie chemicznym.
Dane porównawcze pochodzą z charakterystyk producentów i kart technicznych, m.in. Special Metals – Alloy 601 i Haynes – C-276. Parametr topnienia nie określa dopuszczalnej temperatury pracy wyrobu, trwałości w spalinach ani odporności na pełzanie.
Temperatura topnienia mosiądzu, brązu, żeliwa i innych stopów
Stop wieloskładnikowy nie ma z reguły jednej temperatury topnienia. Przy nazwach ogólnych, takich jak mosiądz czy brąz, można podać tylko orientacyjny zakres; do projektowania odlewania potrzebna jest karta konkretnego stopu.
Dlaczego stale i stopy topią się w przedziale temperatur?
W czystym metalu w stanie równowagi przejście między ciałem stałym a cieczą następuje przy temperaturze charakterystycznej dla danego ciśnienia. W stopach chemicznych przebieg przemiany zależy od tego, jak składniki rozdzielają się między ciecz i fazy stałe. Gdy temperatura przekracza solidus, może pojawić się pierwsza ciecz; całkowite stopienie zachodzi dopiero powyżej liquidusu. Między tymi granicami występuje obszar dwufazowy, często określany jako strefa pastowata.
- Solidus – dolna granica zakresu topnienia; przy chłodzeniu poniżej niej znika pozostała ciecz.
- Liquidus – górna granica zakresu; powyżej niej stop jest całkowicie ciekły.
- Eutektyka – dla określonego składu eutektycznego krzepnięcie może zachodzić przy jednej charakterystycznej temperaturze.
- Segregacja składu – lokalne wzbogacenie niektórych obszarów w pierwiastki może prowadzić do pojawienia się cieczy w temperaturze niższej niż oczekiwana dla nominalnego składu stopu.
Przykładowo dla stali 1.4301 / AISI 304 zestawienia podają 1400–1450°C, podczas gdy dla 1.4404 / 316L 1375–1400°C. Te różnice są istotne w spawalnictwie i odlewnictwie, ale nie oznaczają, że dany materiał wolno stale eksploatować w pobliżu dolnej granicy zakresu topnienia.
Jak skład chemiczny zmienia temperaturę topnienia stali?
Znaczenie poszczególnych dodatków najlepiej rozpatrywać na podstawie układów fazowych oraz pełnego składu stali. Sam pierwiastek stopowy nie zawsze „podwyższa” lub „obniża” temperaturę topnienia w każdej kombinacji, ponieważ decydują reakcje między składnikami i równowaga fazowa.
- Węgiel (C): w układzie Fe–C wzrost zawartości węgla od żelaza czystego w kierunku składu eutektycznego obniża temperatury krzepnięcia. Nie oznacza to jednak, że wszystkie stale wysokowęglowe mają temperaturę topnienia 1100°C.
- Chrom (Cr): wpływa na stabilność faz i zakres krzepnięcia w zależności od pozostałych pierwiastków, w tym niklu, węgla i azotu. Nie da się przypisać mu jednego stałego kierunku zmiany.
- Nikiel (Ni): jako pierwiastek austenitotwórczy zmienia układ fazowy stali Fe–Cr–Ni i w konsekwencji charakterystykę topnienia; trzeba analizować cały gatunek.
- Molibden (Mo) i mangan (Mn): oddziałują na równowagę fazową oraz charakterystykę ciekłego i krzepnącego metalu, a kierunek i skala zmian zależą od stężenia.
- Siarka (S) oraz fosfor (P): mogą sprzyjać lokalnym obszarom o obniżonej temperaturze topnienia i zwiększać podatność na pękanie na gorąco, zwłaszcza przy segregacji.
Temperatura topnienia a dopuszczalna temperatura pracy stali
Temperatura topnienia informuje, kiedy materiał zaczyna przechodzić w stan ciekły, lecz nie mówi, czy zachowa wymaganą nośność przez rok, dekadę lub określoną liczbę cykli cieplnych. Stal może tracić wytrzymałość, pełzać, intensywnie się utleniać albo ulegać zmianom struktury w temperaturze wielokrotnie niższej od solidusu.
- Żaroodporność oznacza przede wszystkim odporność na utlenianie i oddziaływanie gorących gazów; zależy od atmosfery, temperatury i czasu.
- Żarowytrzymałość opisuje zdolność do długotrwałego przenoszenia obciążeń mechanicznych przy wysokiej temperaturze, z uwzględnieniem pełzania.
- Stabilność mikrostruktury ogranicza zakres stosowania niektórych stopów; wydzielanie niepożądanych faz może nastąpić znacznie poniżej temperatury topnienia.
Dlatego dobierając materiał do pieca, wymiennika ciepła lub instalacji spalinowej, należy zestawić temperaturę roboczą z własnościami wysokotemperaturowymi, składem atmosfery i czasem eksploatacji, a nie z samą wartością solidusu. Więcej o procesach degradacyjnych: korozja wysokotemperaturowa oraz właściwości fizyczne metali.
Znaczenie temperatur topnienia w spawaniu, odlewaniu i obróbce cieplnej
Spawanie i pękanie na gorąco
W spawaniu stali nierdzewnych zakres krzepnięcia i segregacja składników spoiny wpływają na ryzyko powstawania pęknięć krystalizacyjnych. Stopione jeziorko spawalnicze krzepnie w określonych warunkach cieplnych, a lokalne obszary wzbogacone w pierwiastki o niskiej rozpuszczalności mogą pozostawać ciekłe najdłużej. O wyborze materiału dodatkowego nie przesądza jednak wyłącznie zbliżony solidus: istotne są także skład chemiczny, właściwości złącza, odporność korozyjna i technologia spawania.
Odlewnictwo, nadlewki i skurcz krzepnięcia
W odlewnictwie znajomość temperatur liquidusu i solidusu pomaga dobrać temperaturę zalewania oraz przewidzieć długość strefy krzepnięcia. Istotne są też płynność ciekłego metalu, skurcz objętościowy, sposób odprowadzania ciepła i możliwość zasilania odlewu przez nadlewki. Niższa temperatura topnienia nie gwarantuje lepszej lejności, podobnie jak wyższa temperatura topnienia nie oznacza automatycznie większego skurczu.
Kucie, walcowanie i obróbka cieplna
Zakresy kucia na gorąco, walcowania i wyżarzania ustala się na podstawie zachowania konkretnego gatunku w stanie stałym: plastyczności, szybkości odkształcania, przemian fazowych oraz skłonności do przegrzania. Są one niższe od zakresu topnienia, choć lokalne nadtopienie granic ziaren bywa zagrożeniem przy nadmiernym nagrzaniu.
Jak mierzy się temperaturę topnienia stali i metali?
W pomiarach laboratoryjnych rozróżnia się temperaturę próbki, sygnał przemiany i warunki przeprowadzania doświadczenia. Dla stopów wyniki zależą m.in. od szybkości ogrzewania lub chłodzenia, historii materiału i przyjętej metody wyznaczenia początku lub końca efektu cieplnego.
Przykładową normą metodyczną jest ASTM E794-24 – wyznaczanie temperatur topnienia i krystalizacji analizą termiczną. Jej zakres dotyczy materiałów z wyraźną temperaturą topnienia i nie stanowi uniwersalnej procedury dla wszystkich stalowych stopów wieloskładnikowych. W badaniach wysokotemperaturowych dobiera się odpowiednią aparaturę, atmosferę i metodę interpretacji wyników.
Które metale mają najwyższą i najniższą temperaturę topnienia?
Najwyższą temperaturę topnienia spośród metali wykazuje wolfram – około 3422°C. Do grupy metali szczególnie trudnotopliwych należą także ren, osm, molibden i tantal. Znacznie niższe wartości cechują rtęć (−38,8°C), gal (29,8°C), potas (63,4°C) i sód (97,7°C). Niska temperatura topnienia jest ważna dla lutowia i bezpieczników termicznych; wysoka – między innymi dla elementów próżniowych i wysokotemperaturowych.
Zależności te nie tworzą jednak prostego rankingu odporności eksploatacyjnej. Przykładowo wolfram może mieć bardzo wysoką temperaturę topnienia, ale w gorącym powietrzu wymaga uwzględnienia intensywnego utleniania, co ogranicza jego zastosowania bez ochronnej atmosfery.
Najczęstsze pytania o temperaturę topnienia – FAQ
Jaka jest temperatura topnienia stali?
Nie ma jednej wartości dla wszystkich stali. Dla wielu stali węglowych orientacyjny zakres mieści się w przybliżeniu między 1425 a 1540°C, lecz zależy od składu chemicznego i rodzaju materiału.
W jakiej temperaturze topi się stal nierdzewna 304?
Dla 1.4301 / AISI 304 podaje się zwykle zakres około 1400–1450°C.
W jakiej temperaturze topi się stal 316L?
Dla 1.4404 / AISI 316L charakterystyczny zakres wynosi około 1375–1400°C.
Ile wynosi temperatura topnienia stali duplex 2205?
Dla 1.4462 / 2205 zwykle podaje się około 1385–1445°C.
Jaka jest temperatura topnienia żelaza?
Czyste żelazo Fe topi się przy około 1538°C w ciśnieniu atmosferycznym.
Jaka jest temperatura topnienia aluminium?
Dla czystego aluminium wartość wynosi około 660,3°C; stopy aluminium mają inne charakterystyki krzepnięcia.
Jaka jest temperatura topnienia miedzi?
Czysta miedź ma temperaturę topnienia około 1084,6°C.
Jaka jest temperatura topnienia mosiądzu?
Mosiądz jest rodziną stopów Cu–Zn. Zakresy topnienia są różne i dla wielu odmian mieszczą się orientacyjnie w przedziale 900–1050°C.
Jaka jest temperatura topnienia cyny?
Czysta cyna topi się przy około 231,9°C.
Jaka jest temperatura topnienia wolframu?
Wolfram topi się przy około 3422°C i ma najwyższą temperaturę topnienia spośród metali.
Co oznaczają solidus i liquidus?
Solidus to dolna granica zakresu topnienia stopu, a liquidus to granica całkowitego stopienia. Między nimi w równowadze mogą współistnieć ciecz i fazy stałe.
Czy temperatura topnienia oznacza maksymalną temperaturę pracy?
Nie. O dopuszczalnej temperaturze pracy decydują także pełzanie, wytrzymałość w czasie, utlenianie, korozja oraz stabilność mikrostruktury.
Czy większa zawartość węgla zawsze obniża temperaturę topnienia stali?
W układzie Fe–C wzrost zawartości węgla w określonym zakresie obniża temperatury krzepnięcia, ale w rzeczywistych stalach z innymi dodatkami odpowiedź wymaga analizy całego składu.
Czy stal zaczyna się topić podczas normalnego hartowania?
Nie. Typowe hartowanie zachodzi w stanie stałym, przy temperaturach znacznie niższych od temperatur solidusu. Nadtopienie może być skutkiem nieprawidłowego, nadmiernego nagrzania.
Dobór materiału do pracy w podwyższonej temperaturze
W przypadku zamówień prętów, blach, rur i odkuwek istotne jest podanie konkretnego gatunku stali lub stopu, zakresu temperatur roboczych, czasu obciążenia i środowiska pracy. Wybór materiału nie powinien wynikać wyłącznie z porównania temperatur topnienia. Zestawienia gatunków znajdują się w dziale gatunki stali i stopów specjalnych, a szersze omówienie własności termicznych w dziale właściwości fizyczne stali i metali.
Nie znasz dokładnego gatunku? Przy doborze materiału do warunków wysokotemperaturowych znaczenie mają nie tylko temperatura topnienia i skład chemiczny, lecz także żaroodporność, żarowytrzymałość, warunki obciążenia i wymagana postać wyrobu. Dane te warto określić już na etapie zapytania ofertowego.