Температура плавления цветных металлов и сплавов. При какой температуре плавится медь, плавление

Температуры плавления почти всех широко используемых в настоящее время металлов приведены в табл. 1. Там же упомянуты некоторые редкие металлы, производство и применение которых непрерывно растет. Как видно, температура плавления металлов охватывает очень большой промежуток от -39 (ртуть) до 3400 °C (вольфрам).
Металлы, имеющие температуру плавления ниже 500-600 °С, называют легкоплавкими. К легкоплавким можно отнести цинк и все другие металлы, расположенные в табл. 1 выше его. Принято также выделять так называемые тугоплавкие металлы, относя к ним те, которые обладают более высокой температурой плавления, чем железо (1539 °С), т. е. по табл. 1 это титан и далее до вольфрама.

Из данных табл. 1 видно, что плотности металлов при комнатной температуре также имеют очень широкий диапазон. Самым легким металлом является литий, который примерно в 2 раза легче воды. В технике принято выделять группу легких металлов, служащих основой конструкционных металлических материалов в авиации и ракетостроении. К легким металлам относят те, у которых плотность не превышает 5 г/см3. В эту группу входят титан, алюминий, магний, бериллий, литий.
Наряду с плотностью, обозначаемой буквой d, для описания свойств металлов используют обратную величину - удельный объем v=1d (см3 г).
С повышением температуры плотность всех металлов в твердом состоянии уменьшается, удельный объем соответственно увеличивается. Увеличение удельного объема твердого металла, не испытывающего полиморфных превращений, при нагреве на Δt может быть довольно точно описано линейной зависимостью vтвt=vтв20°С (1+βтв Δt), где βтв - температурный коэффициент объемного расширения. Как известно из физики, βтв=3α, где α - температурный коэффициент линейного расширения в данном температурном интервале. У большинства металлов нагрев от комнатной до температуры плавления вызывает увеличение объема на 4 5 %, так что dтвtпл = 0,95/0,96dтв20°С.
Переход металла в жидкое состояние сопровождается в большинстве случаев увеличением объема и соответствующим уменьшением плотности. В табл. 1 это выражено через изменение удельных объемов Δv = 100 (vж - vтв)/vж, где vж и vтв - удельные объемы жидкого и твердого металла при температуре плавления. Можно показать, что Δv = 100 (vж - vтв)/vж = Δd = 100 (dтв - dж)/dтв. Уменьшение плотности при плавлении выражается несколькими процентами. Имеется несколько металлов и неметаллов, у которых наблюдается обратное изменение плотности и удельного объема при плавлении. Галлий, висмут, сурьма, германий, кремний при плавлении уменьшаются в объеме, и поэтому у них Δv имеет отрицательное значение. Для сравнения можно отметить, что для веды Δv = -11%.
Незначительное изменение объема металлов при плавлении свидетельствует о том, что расстояния между атомами в жидком металле мало отличаются от межатомных расстояний в кристаллической решетке. Число ближайших соседей у каждого атома (так называемое координационное число) в жидкости обычно немного меньше, чем в кристаллической решетке. У металлов с плотноупакованными структурами координационное число при плавлении уменьшается с 12 до 10-11, у металлов с о. ц. к. структурой это число меняется с 8 до 6. В жидком металле вблизи точки плавления сохраняется ближний порядок, при котором расположение соседних атомов на расстоянии примерно до трех атомных диаметров сохраняется подобным тому, каким оно было в кристаллической решетке, которая, как известно, обладает еще и дальним порядком. При плавлении у металлов не наблюдается принципиального изменения ряда свойств: теплопроводности, теплоемкости; электропроводность остается того же порядка, что и в твердом металле вблизи точки плавления.
Повышение температуры жидкого металла вызывает не только постепенное изменение всех его свойств, но и приводит к постепенным структурным перестройкам, которые выражаются в понижении координационного числа и постепенном исчезновении ближнего порядка в расположении атомов. Вызываемое повышением температуры увеличение удельного объема жидкого металла может быть приближенно описано линейной зависимостью vжt = vжtпл (1 +βж Δt). Температурный коэффициент объемного расширения жидкого металла существенно больше, чем твердого металла. Обычно βж = 1,5/3βтв.
Сплавы как в твердом, так и в жидком состоянии в общем случае не являются совершенными растворами, и сплавление двух и более металлов всегда сопряжено с изменением объема. Как правило, отмечается уменьшение объема сплава по сравнению с суммарным объемом чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Однако для технических расчетов можно пренебречь уменьшением объема при сплавлении. В этом случае удельный объем сплава может быть определен по правилу аддитивности, т. е. по значениям удельных объемов чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Таким образом, удельный объем сплава, который состоит из компонентов А, В, С, ..., X, содержащихся в процентах по массе в количестве а, b, с, ..., х равен

где vA, vB, vC, vX - удельные объемы чистых компонентов при той температуре, для которой вычисляется удельный объем сплава.
Изменение объема жидкого металла до начала и в процессе кристаллизации предопределяет важнейшее литейное свойство - объемную усадку, которая проявляется, как будет показано позже, в виде усадочных раковин и пористости (рыхлоты) в теле отливки.
Максимально возможная величина относительной объемной усадки отливки равняется Δvmax = 100 (vжt - vтвtпл)/vжt, где vжt - удельный объем жидкого металла при температуре заливки t; tтвtпл - удельный объем твердого металла при температуре плавления.
Экспериментально обнаруживаемая в отливках объемная усадка обычно меньше величины Δvmax. Это объясняется тем, что при заполнении литейной формы происходит охлаждение расплава и может даже начаться кристаллизация, поэтому исходное состояние расплава в литейной форме не характеризуется удельным объемом vtж. Охлаждение затвердевшей отливки до комнатной температуры не сказывается на величине относительной объемной усадки.
В отливках из металлов и сплавов, имеющих отрицательные значения Δv (см. табл. 1), обнаруживается не усадка, а так называемый рост - выдавливание расплава на поверхность отливок.

Температура плавления металла – это минимальная температура, при которой он переходит из твердого состояния в жидкое. При плавлении его объем практически не изменяется. Металлы классифицируют по температуре плавления в зависимости от степени нагревания.

Легкоплавкие металлы

Легкоплавкие металлы имеют температуру плавления ниже 600°C. Это цинк, олово, висмут. Такие металлы можно расплавить в , разогрев их на плите, или с помощью паяльника. Легкоплавкие металлы используются в электронике и технике для соединения металлических элементов и проводов для движения электрического тока. Температура составляет 232 градуса, а цинка – 419.

Среднеплавкие металлы

Среднеплавкие металлы начинают переходить из твердого в жидкое состояние при температуре от 600°C до 1600°C. Они используются для изготовления плит, арматур, блоков и других металлических конструкций, пригодных для строительства. К этой группе металлов относятся железо, медь, алюминий, они также входят в состав многих сплавов. Медь добавляют в сплавы драгоценных металлов, таких как золото, серебро, платина. Золото 750 пробы на 25% состоит из лигатурных металлов, в том числе и меди, которая придает ему красноватый оттенок. Температура плавления этого материала равна 1084 °C. А алюминий начинает плавиться при относительно низкой температуре, составляющей 660 градусов Цельсия. Это легкий пластичный и недорогой металл, который не окисляется и не ржавеет, поэтому широко используется при изготовлении посуды. Температура равна 1539 градусов. Это один из самых популярных и доступных металлов, его применение распространено в строительстве и автомобильной промышленности. Но ввиду того, что железо подвергается коррозии, его нужно дополнительно обрабатывать и покрывать защитным слоем краски, олифы или не допускать попадания влаги.

Тугоплавкие металлы

Температура тугоплавких металлов выше 1600°C. Это вольфрам, титан, платина, хром и другие. Их используют в качестве источников света, машинных деталей, смазочных материалов, а также в ядерной промышленности. Из них изготавливают проволоки, высоковольтные провода и используют для расплавки других металлов с более низкой температурой плавления. Платина начинает переходить из твердого в жидкое состояние при температуре 1769 градусов, а вольфрам – при температуре 3420°C.

Ртуть – единственный металл, находящийся в жидком состоянии при обычных условиях, а именно, нормальном атмосферном давлении и средней температуре окружающей среды. Температура плавления ртути составляет минус 39°C. Этот металл и его пары являются ядовитыми, поэтому он используется только в закрытых емкостях или в лабораториях. Распространенное применение ртути – градусник для измерения температуры тела.

Почти все металлы при нормальных условиях представляют собой твердые вещества. Но при определенных температурах они могут изменять свое агрегатное состояние и становиться жидкими. Давайте узнаем, какая температура плавления металла самая высокая? Какая самая низкая?

Температура плавления металлов

Большая часть элементов периодической таблицы относится к металлам. В настоящее время их насчитывается примерно 96. Всем им необходимы разные условия, чтобы превратиться в жидкость.

Порог нагревания твердых кристаллических веществ, превысив который они становятся жидкими, называется температурой плавления. У металлов она колеблется в пределах нескольких тысяч градусов. Многие из них переходят в жидкость при относительно большом нагревании. Благодаря этому они являются распространенным материалом для производства кастрюль, сковородок и других кухонных приборов.

Средние температуры плавления имеют серебро (962 °С), алюминий (660,32 °С), золото (1064,18 °С), никель (1455 °С), платина (1772 °С) и т.д. Выделяют также группу тугоплавких и легкоплавких металлов. Первым, чтобы превратиться в жидкость, нужно больше 2000 градусов Цельсия, вторым - меньше 500 градусов.

К легкоплавким металлам обычно относят олово (232 °C), цинк (419 °C), свинец (327 °C). Однако у некоторых из них температуры могут быть еще ниже. Например, франций и галлий плавятся уже в руке, а цезий можно греть только в ампуле, ведь от кислорода он воспламеняется.

Самые низкие и высокие температуры плавления металлов представлены в таблице:

Вольфрам

Самая высокая температура плавления - у металла вольфрама. Выше него по этому показателю стоит только неметалл углерод. Вольфрам представляет собой светло-серое блестящее вещество, очень плотное и тяжелое. Он кипит при 5555 °C, что почти приравнивается к температуре фотосферы Солнца.

При комнатных условиях он слабо реагирует с кислородом и не подвергается коррозии. Несмотря на свою тугоплавкость, он довольно пластичен и поддается ковке уже при нагревании до 1600 °C. Эти свойства вольфрама используют для нитей накаливания в лампах и кинескопах электродов для сварки. Большую часть добытого металла сплавляют со сталью, чтобы повысить ее прочность и твердость.

Широкое применение вольфрам имеет в военной сфере и технике. Он незаменим для изготовления боеприпасов, брони, двигателей и наиболее важных частей военного транспорта и самолетов. Из него также делают хирургические инструменты, ящики для хранения радиоактивных веществ.

Ртуть

Ртуть - единственный металл, температура плавления которого имеет минусовое значение. К тому же это один из двух химических элементов, простые вещества которых при нормальных условиях, существуют в виде жидкостей. Интересно, что кипит металл при нагревании до 356,73 °C, а это намного выше температуры его плавления.

Имеет серебристо-белый цвет и ярко выраженный блеск. Она испаряется уже при комнатных условиях, конденсируясь в небольшие шарики. Металл очень токсичен. Он способен накапливается во внутренних органах человека, вызывая болезни головного мозга, селезенки, почек и печени.

Ртуть - один из семи первых металлов, о которых узнал человек. В Средние века она считалась главным алхимическим элементом. Несмотря на ядовитость, когда-то ее применяли в медицине в составе зубных пломб, а также как лекарство от сифилиса. Сейчас ртуть почти полностью исключили из медицинских препаратов, но широко используют ее в измерительных приборах (барометрах, манометрах), для изготовления ламп, переключателей, дверных звонков.

Сплавы

Чтобы изменить свойства того или иного металла, его сплавляют с другими веществами. Так, он может не только приобрести большую плотность, прочность, но и снизить или повысить температуру плавления.

Сплав может состоять из двух или больше химических элементов, но хотя бы один из них должен быть металлом. Такие «смеси» очень часто используют в промышленности, ведь они позволяют получить именно те качества материалов, которые необходимы.

Температура плавления металлов и сплавов зависит от чистоты первых, а также от пропорций и состава вторых. Для получения легкоплавких сплавов чаще всего используют свинец, ртуть, таллий, олово, кадмий, индий. Те, в составе которых находится ртуть, называются амальгамами. Соединение натрия, калия и цезия в соотношении 12%/47%/41% становится жидкостью уже при минус 78 °C , амальгама ртути и таллия - при минус 61°C. Самым тугоплавким материалом является сплав тантала и карбидов гафния в пропорциях 1:1 с температурой плавления 4115 °C.

Чугун – сплав на основе железа и углерода. От стали он отличается содержанием последнего – 2% и больше. В отдельных марках содержится до 4% углерода. Чаще всего используют сплав с содержанием углерода 3-3,5%.

Это литейный материал. Для такого металла на первый план выходят такие его свойства, как температура плавления, а также его тепловые свойства – теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность. Как разные химические элементы влияют на качество этого металла и можно ли его плавить самостоятельно – об этом пойдет речь в статье.

Тепловые свойства чугуна

• Теплоемкость.
• Теплопроводность.
• Температуропроводность.
• Коэффициент теплового расширения.

Все они зависят от состава, структуры, а значит от марки сплава. Кроме того, эти свойства металла меняются с изменением его температуры (так называемое правило смещения). Характер этой зависимости и основные физические свойства приведены в таблице.

Теплоемкость (с)

Это количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы его температура возросла на один Кельвин (далее все величины переведены в градус Цельсия).

Теплоемкость зависит от состава сплава, а также от температуры (Т). Чем выше Т, тем больше теплоемкость. Если температура выше Т фазовых превращений, но ниже Т плавления, то

с = 0,18 кал/(Г˚С)

при Т, превышающей температуру плавления:

с = 0,23±0,03 кал/(Г˚С)

Объемная теплоемкость (отношение теплоемкости к объему вещества) для приблизительных расчетов принята:

• чугун в твердом состоянии с’ = 1 кал/(см3Г˚С)
• расплавленный с’ = 1,5 кал/(см3Г˚С)

Теплопроводность (λ)

Это количественная характеристика способности тела проводить тепло. Для теплопроводности не действует правило смещения. Температура материала повышается – λ понижается. Она зависит от состава сплава, а в большей степени от его структуры. Вещества, увеличивающие степень графитизации, повышают теплопроводность, а вещества, препятствующие образованию графита, понижают.

Кстати, теплопроводность расплавленного чугуна намного меньше, чем твердого. Но из-за конвекции она больше, чем λ твердого металла.

Теплопроводность для разных марок лежит в пределах:

λ =0,08…0,13 кал/ (см·сек оС)

Теплопроводность и другие теплофизические свойства в зависимости от температуры сплава приведены в конце раздела.

Температуропроводность (α)

Это физическая величина, показывающая, насколько быстро меняется температура тела. Равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости.

Для приблизительных расчетов можно принять:

α=λ для твердого металла (равна его теплопроводности);

α=0,03 см2/сек для жидкого.

Температура плавления

У этого сплава хорошие литейные свойства. Лучше, чем у стали. Жидкотекучесть высокая, а усадка мала (около 1%). Его можно расплавить при температуре на 300-400 градусов ниже чем у стали. Температура плавления чугуна:

Влияние химических элементов на свойства металла

Какой он бывает

Структура чугуна – это железная основа с графитовыми (углеродными) вкраплениями. Этот материал различают не по составу, а по форме углерода в нем:

• Белый чугун (БЧ). Содержит карбид (цементит) – это форма углерода, такая же, как в стали. Имеет на сломе беловатый цвет. Очень твердый и хрупкий. В чистом виде почти не используется.
• Серый чугун (СЧ). Содержит углерод в форме пластинчатого графита. Такие включения плохо влияют на качество материала. Для изменения формы зерен графита существуют специальные методы плавки и дальнейшей обработки. Графит в СЧ может быть и в форме волокон («червеобразная» форма) – так называемый вермикулярный графит (от латинского слова vermiculus – червь, как вермишель).
• Высокопрочный. Шаровидная форма графитовых зерен. Получают введением в сплав магния.
• Ковкий чугун. Для получения отжигают БЧ. Графитные зерна в виде хлопьев.

В итоге главное отличие его (кроме белого) от стали - наличие структуре графита. А разная форма графита определяет свойства разных марок.

Условно графитные зерна – это пустоты, трещины, а чугун – это сталь, испещренная микроскопическими трещинами.

Соответственно, чем больше пустот, тем хуже качество металла. Имеет значение также форма и взаиморасположение включений.

Однако нельзя принимать графитные зерна как исключительно вредные. Из-за присутствия графита данный материал легче обрабатывать резанием, стружка становится более ломкой. Кроме того, он хорошо противостоит трению также из-за графита.

Примеси

Конечно, этот металл содержит не только железо и углерод. В него входят те же элементы, что и в стальные сплавы – фосфор, марганец, сера, кремний и другие. Эти добавки косвенно влияют на особенности сплава – они изменяют ход графитизации. Именно от этого параметра и зависят качества материала.

• Фосфор. Мало влияет на образование графита. Но все равно он нужен, потому как улучшает жидкотекучесть. Твердые включения фосфора обеспечивают высокую твердость и износостойкость металла.
• Марганец. Мешает графитизации, как бы «отбеливает» чугун.
• Сера. Как и кремний, способствует отбеливанию металла, да еще и ухудшает жидкотекучесть. Количество серы в сплаве ограничивают. Для мелкого литья не больше 0,08%, для деталей больше – до 0,1-0,12%.
• Кремний. Сильно влияет на свойства материала, увеличивая графитизацию. В металле может содержаться от 0,3-0,5 до 3-5% кремния. Варьируя количество кремния, получают сплав с разными свойствами – от белого до высокопрочного.
• Магний. Помогает получить материал с шаровидной формой зерен. Градус кипения магния низкий (1107˚С). По этой и другим причинам ввод магния в сплав затруднителен. Чтобы избежать его кипения, выплавку материала ведут с применением различных способов ввода магния.

Кроме обычных примесей, чугун может содержать и другие вещества. Это так называемый легированный материал. Хром, молибден, ванадий мешают процессу образования графита. Медь, никель и большинство других веществ, графитизации способствуют.

Технология самостоятельной плавки

Непромышленное выплавление чугуна – процесс очень трудоемкий. Выплавить своими руками отливки заводского качества в кустарных условиях невозможно.

Дома выплавлять этот металл нельзя. Нужно отдельное вентилируемое помещение – гараж, например. Плавку ведут в печах. В промышленности используют доменные печи, вагранки и индукционные печи.

Доменная печь – промышленный агрегат, способный расплавлять металл в огромных масштабах. В ней можно переплавлять железорудное сырье. После запуска она работает без перерыва до 5-6, а то и до 10 лет. Затем ее останавливают, проводят обслуживание и снова запускают. Расплавление металла проходит в присутствии газов для улучшения качества материала. Для малого и среднего производства такие печи не подходят. Топливо – кокс.

Вагранка – печь шахтного типа, как и доменная. От последней она отличается тем, что в ней не поддерживается специальный состав газов. В ней плавят не руду, а железный лом. Она больше подходит для малого производства.

Индукционная печь – современный тип оборудования. Процессом плавки в такой печи можно управлять, регулировать температуру, время нагрева и состав шихты.

Плавку ведут в тиглях из огнеупорной глины или кирпича. Стальные не подходят, хотя сталь начинает плавиться при температуре большей, чем чугун. Обязателен флюс – вещество, способствующее образованию легкоплавкого шлака. Например, известняк (CaCO3), плавиковый шпат (CaF2). Для получения серого, а не белого чугуна в шихту добавляют ферросилиций (сплав железа с кремнием). Он улучшает образования зерен графита. После расплавления металл выливают в песчаную или металлическую форму.

Литье металла – работа взрыво- и пожароопасная. Кроме того, необходимо обладать определенными знаниями в области металлургии. Для организации производства нужно будет оформить документацию, пройти проверки, получить разрешение и лицензию на работу.

Каждый металл и сплав имеет собственный уникальный набор физических и химических свойств, среди которых не последнее место занимает температура плавления. Сам процесс означает переход тела из одного агрегатного состояния в другое, в данном случае, из твердого кристаллического состояния в жидкое. Чтобы расплавить металл, необходимо подводить к нему тепло до достижения температуры плавления. При ней он все еще может оставаться в твердом состоянии, но при дальнейшем воздействии и повышении тепла металл начинает плавиться. Если температуру понизить, то есть отвести часть тепла, элемент затвердеет.

Самая высокая температура плавления среди металлов принадлежит вольфраму : она составляет 3422С о, самая низкая - у ртути: элемент плавится уже при - 39С о. Определить точное значение для сплавов, как правило, не представляет возможности: оно может значительно колебаться в зависимости от процентного соотношения компонентов. Их обычно записывают в виде числового промежутка.

Как происходит

Плавление всех металлов происходит примерно одинаково - при помощи внешнего или внутреннего нагревания. Первый осуществляется в термической печи, для второго используют резистивный нагрев при пропускании электрического тока или индукционный нагрев в высокочастотном электромагнитном поле. Оба варианта воздействуют на металл примерно одинаково.

При увеличении температуры увеличивается и амплитуда тепловых колебаний молекул , возникают структурные дефекты решетки, выражающиеся в росте дислокаций, перескоке атомов и других нарушениях. Это сопровождается разрывом межатомных связей и требует определенного количества энергии. В это же время происходит образование квази-жидкого слоя на поверхности тела. Период разрушения решетки и накопления дефектов называется плавлением.

В зависимости от температуры плавления металлы делятся на:

В зависимости от температуры плавления выбирают и плавильный аппарат . Чем выше показатель, тем прочнее он должен быть. Узнать температуру нужного вам элемента можно из таблицы.

Еще одной немаловажной величиной является температура кипения. Это величина, при которой начинается процесс кипения жидкостей, она соответствует температуре насыщенного пара, который образуется над плоской поверхностью кипящей жидкости. Обычно она почти в два раза больше, чем температура плавления.

Обе величины принято приводить при нормальном давлении. Между собой они прямопропорциональны .

1. Увеличивается давление - увеличится величина плавления.
2. Уменьшается давление - уменьшается величина плавления.

Таблица легкоплавких металлов и сплавов (до 600С о)

Таблица среднеплавких металлов и сплавов (от 600С о до 1600С о)