Der Schmelzpunkt ist eine der am meisten konsultierten Eigenschaften bei der Wahl eines Materials, aber auch eine der am meisten missverstandenen. Er wird oft mit der maximalen Betriebstemperatur oder mit dem Erweichen verwechselt. Zudem werden manchmal unterschiedliche Parameter verglichen, wie der Schmelzpunkt der Metalle und die HDT der Polymere, als wären sie gleichwertig.
Diese Größe zu verstehen hilft, das korrekte Material zu wählen, sein Verhalten während der Bearbeitung vorherzusagen und zuverlässiger zu konstruieren. In diesem Leitfaden sehen wir, was der Schmelzpunkt ist, wie er gemessen wird und welche die Werte der wichtigsten Industriematerialien sind.
Der Schmelzpunkt (abgekürzt Tm oder mp) ist die Temperatur, bei der ein Material bei einem bestimmten Druck vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Während des Prozesses absorbiert es Energie in Form von latenter Wärme und, bei reinen Substanzen, bleibt die Temperatur bis zum Abschluss der Schmelzung nahezu konstant.
Bei reinen kristallinen Materialien, wie Metallen, Eis und Salzen, ist dieser Wert präzise und reproduzierbar. Wasser schmilzt bei 0 °C, reines Aluminium bei etwa 660,3 °C und reines Eisen bei etwa 1.538 °C, bei standardmäßigem atmosphärischem Druck.
Bei Metalllegierungen hingegen erfolgt der Übergang im Allgemeinen in einem Intervall zwischen dem Solidus, der seinen Beginn anzeigt, und dem Liquidus, jenseits dessen das Material vollständig flüssig ist. Ein Kohlenstoffstahl kann zum Beispiel um 1.425 °C zu schmelzen beginnen und den Prozess gegen 1.530 °C abschließen, je nach Zusammensetzung.
Bei den Polymeren ist die Unterscheidung ausgeprägter:
Die Messmethoden variieren je nach Materialtyp.
Für Metalle kann die Schmelztemperatur mittels thermischer Analyse (Erhitzungs- und Abkühlungskurven) oder mit der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) bestimmt werden. Diese Technik misst den vom Prüfkörper absorbierten Wärmefluss und erfasst den mit der Schmelzung verbundenen endothermen Peak.
Bei den Legierungen, die im Allgemeinen in einem Intervall schmelzen, ermöglicht die DSC, die Solidus-Temperatur (Beginn der Schmelzung) und die Liquidus-Temperatur (vollständige Schmelzung) zu identifizieren. Diese Werte sind besonders wichtig in den Gieß-, Schweiß- und Wärmebehandlungsprozessen.
Für die teilkristallinen Polymere wird üblicherweise die DSC verwendet, gemäß ISO 11357 oder ASTM D3418. Der Prüfkörper wird mit kontrollierter Geschwindigkeit (typischerweise 10 °C/min) erhitzt und man zeichnet den durch die Schmelzung der kristallinen Phase erzeugten endothermen Peak auf. Die Temperatur am Scheitel des Peaks wird im Allgemeinen als Tm angegeben.
Um das Verhalten der Polymere bei hohen Temperaturen zu bewerten, werden auch andere Parameter berücksichtigt:
Diese beiden Werte zu verwechseln ist einer der häufigsten und potenziell kostspieligsten Fehler. Der Schmelzpunkt gibt die Temperatur an, bei der das Material in den flüssigen Zustand übergeht, während die maximale Betriebstemperatur die Grenze ist, innerhalb derer eine Komponente unter Beibehaltung angemessener Leistung und Zuverlässigkeit funktionieren kann. Letztere ist daher stets viel niedriger.
Für die Metalle ist die Betriebstemperatur durch das Kriechen (progressive Verformung unter Last im Laufe der Zeit) und durch die Oxidation begrenzt, die sich bei Temperaturen unter der Schmelzung manifestieren. Ein Kohlenstoffstahl schmilzt bei ~1.500 °C, verliert aber bereits vor 500 °C an struktureller Festigkeit.
Für die Polymere ist die Referenzangabe die HDT, nicht der Schmelzpunkt. Ein PEEK kann eine Tm von etwa 343 °C haben, aber eine HDT bei 1,8 MPa von etwa 152 °C im Fall einer in FDM gedruckten und getemperten Komponente. Analog kann ein PA12 eine Tm von etwa 187 °C und eine HDT bei 1,8 MPa nahe 95 °C haben.
Die Faustregel für den Konstrukteur ist einfach: eine Komponente niemals allein auf Grundlage des Schmelzpunkts dimensionieren. Immer die HDT (für die Polymere) oder die Warmfestigkeitsdaten (für die Metalle) verwenden, um die maximale Betriebstemperatur zu definieren.
| Material | Schmelzpunkt (°C) | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Zinn (Sn) | 232 | Basis für Lotlegierungen |
| Blei (Pb) | 327 | Lotlegierungen (in Ausmusterung RoHS) |
| Zink (Zn) | 420 | Galvanische Beschichtungen, Druckguss |
| Magnesium (Mg) | 650 | Ultraleichte Legierungen |
| Reines Aluminium | 660 | - |
| Aluminiumlegierungen (6082, 7075) | 555-650 | Solidus-Liquidus-Intervall |
| Messing (CuZn37) | 900-920 | Intervall |
| Reines Kupfer (Cu) | 1.083 | - |
| Bronze (CuSn8) | 880-1.000 | Intervall |
| Kohlenstoffstähle | 1.425-1.530 | Solidus-Liquidus-Intervall |
| Austenitische Edelstähle (304, 316) | 1.400-1.450 | - |
| Grauguss | 1.140-1.200 | Intervall |
| Reines Titan (Gr2) | 1.668 | - |
| Titan Gr5 (Ti6Al4V) | 1.604-1.660 | Intervall |
| Reines Eisen | 1.538 | Referenz |
| Nickel (Ni) | 1.455 | Superlegierungen |
| Wolfram (W) | 3.422 | Höchster Schmelzpunkt unter den Metallen |
| Polymer | Schmelzpunkt Tm (°C) | HDT 1,8 MPa (°C) |
|---|---|---|
| PE-HD (Polyethylen hoher Dichte) | 130-135 | 75 |
| PP (Polypropylen) | 160-170 | 55-65 |
| Nylon PA12 (MJF) | 187 | 95 |
| Nylon PA6 | 220 | 55-80 |
| Nylon PA66 | 260 | 70-100 |
| POM (Polyacetal) | 175 | 110 |
| PBT | 225 | 60 |
| PEEK (getempert) | 343 | 152 |
| PEEK CF | 343 | 315 (0,45 MPa) |
| PPS | 280-290 | 260 |
| Polymer | Tg (°C) | Vicat (°C) |
|---|---|---|
| ABS | 105 | 95-110 |
| Medizinisches ABS | - | 104 |
| PC (Polycarbonat) | 147 | 145-150 |
| PMMA (Plexiglas) | 105 | 95-100 |
| PS (Polystyrol) | 95 | 85-95 |
| ULTEM (PEI) | 217 | 210-215 |
Für die amorphen Polymere existiert kein Schmelzpunkt: die Tg und die Vicat sind die Referenzen für die thermische Stabilität.
Der Schmelzpunkt ist ein grundlegender Parameter nicht nur bei der Wahl des Materials, sondern auch bei der Definition der Prozesse, mit denen es umgeformt wird.
In den additiven Prozessen tragen die Schmelz- und Erweichungstemperaturen dazu bei, die Betriebsbedingungen zu definieren:
Bei den Bearbeitungen durch Spanabhebung muss die Temperatur in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Teil unter Kontrolle gehalten werden. Eine übermäßige Erwärmung kann Erweichung, metallurgische Veränderungen oder Degradation des Materials verursachen.
Das Phänomen ist bei den Polymeren besonders kritisch, die im Allgemeinen eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben. Die Wärme neigt daher dazu, sich nahe der Schneide zu konzentrieren und lokale Schmelzung, Anhaften des Spans am Werkzeug und eine Verschlechterung der Oberflächengüte zu verursachen.
Die Schmelztemperaturen des Grundmaterials und des Zusatzmaterials beeinflussen die Wahl der Schweißparameter, darunter Strom, Geschwindigkeit, Schutzgas und Vorwärmung. Ein austenitischer Edelstahl (Tm ~1.450 °C) erfordert andere Parameter als ein Aluminium (Tm ~600 °C) und ein Titan (Tm ~1.650 °C).
In der Gießerei ist der relevanteste Parameter die Liquidus-Temperatur, zu der eine angemessene Überhitzung hinzukommt, um die Fließfähigkeit des Metalls während des Gießens zu gewährleisten. Diese Werte tragen dazu bei, die Eigenschaften des Ofens, der Gießpfanne und des gesamten Prozesses zu bestimmen.
Der Schmelzpunkt ist eine grundlegende Eigenschaft, um zu verstehen, wie ein Material umgeformt wird, doch er stimmt nicht mit seiner maximalen Betriebstemperatur überein. Bei den reinen Metallen entspricht er einem definierten Wert, während bei den Legierungen die Schmelzung im Allgemeinen in einem Intervall zwischen Solidus und Liquidus erfolgt. Bei den teilkristallinen Polymeren ist er mit der Schmelzung der kristallinen Phase verbunden, während bei den amorphen Polymeren kein echter Schmelzpunkt existiert.
Um eine Komponente korrekt zu dimensionieren, müssen daher die HDT, die Tg, die Vicat-Temperatur, die mechanischen Eigenschaften in der Wärme und die tatsächlichen Nutzungsbedingungen berücksichtigt werden.
Den Unterschied zwischen diesen Parametern zu kennen ermöglicht es, das am besten geeignete Material zu wählen, Konstruktionsfehler zu verhindern und sich mit Lieferanten und Laboren präziser auszutauschen.
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