T плавления металлов. Материал чугун: основные свойства и важные характеристики

На заре человечества люди пытались освоить создание различных элементов из металлов. Такие вещи были более изящные, тонкие и долговечные. Одним из первых была «покорена» медь. Наличие руды требовало расплавления материала и отделения от шлака. Это выполнялось в раскаленных углях на земле. Температуру нагнетали мехами, создающими жар. Процесс был горячим и трудоемким, но позволял получать необычные украшения, посуду и орудия труда. Отдельным направлением стало изготовление оружия для охоты, которое могло служить долгое время. Температура плавления меди относительно невысока, что позволяет и сегодня плавить ее в бытовой обстановке и производить предметы, необходимые для ремонта механизмов или электрического оборудования. Какая температура плавки у меди и ее сплавов? Чем можно выполнить эту процедуру в домашних условиях?

В таблице Менделеева этот материал получил название Cuprum. Ему присвоен атомный номер 29. Это пластичный материал, отлично обрабатывающийся в твердом виде шлифовальным и резным оборудованием. Хорошая проводимость напряжения позволяет активно использовать медь в электрике и промышленном оборудовании.

В земной коре материал находится в виде сульфидной руды. Часто встречаемые залежи обнаруживаются в Южной Америке, Казахстане, России. Это медный колчедан и медный блеск. Они образовываются при средней температуре, как геотермальные тоненькие пласты. Находят и чистые самородки, которые не нуждаются в отделении шлака, но требуют плавления для добавки других металлов, т. к. в чистом виде медь обычно не используется.

Красновато-желтый оттенок металл имеет благодаря оксидной пленке, покрывающей поверхность сразу, при взаимодействии с кислородом. Оксид не только придает красивый цвет, но и содействует более высоким антикоррозийным свойствам. Материал без оксидной пленки имеет светло-желтый цвет.

Плавится чистая медь при достижении 1080 градусов. Это относительно невысокая цифра позволяет работать с металлом как в производственных условиях, так и дома. Другие физические свойства материала следующие:

• Плотность меди в чистом виде составляет 8,94 х 103 кг/м квадратный.
• Отличается металл и хорошей электропроводностью, которая при средней температуре в 20 градусов является 55,5 S .
• Медь хорошо передает тепло, и этот показатель составляет 390 Дж/кг.
• Выделение углерода при кипении жидкого материала начинается от 2595 градусов.
• Электрическое сопротивление (удельное) в температурном диапазоне от 20 до 100 градусов - 1,78 х 10 Ом/м.

Плавление металла и его сплавов

График плавления меди имеет пять ступеней процесса:

1. При температуре 20-100 градусов металл находится в твердом состоянии. Последующий нагрев содействует изменению цвета, что происходит при удалении верхнего оксида.
2. При достижении отметки температуры в 1083 градуса, материал переходит в жидкое состояние, а его цвет становится абсолютно белым. В этот момент разрушается кристаллическая решетка металла. На небольшой период рост температуры прекращается, а после достижения полностью жидкой стадии, возобновляется.
3. Закипает материал при 2595 градусах. Это схоже с кипением густой жидкости, где также происходит выделение углерода.
4. Когда источник тепла выключается, то пиковая температура начинает понижаться. При кристаллизации происходит замедление снижения температуры.
5. После обретения твердой стадии, металл остывает окончательно.

Температура плавления бронзы немного ниже из-за наличия в составе олова. Разрушение кристаллической решетки этого сплава происходит при достижении 950-1100 градусов. Медный сплав с цинком, известный как латунь, способен плавиться от 900°C. Это позволяет работать с материалами при несложном оборудовании.

Плавление в бытовых условиях

Плавка меди в домашних условиях возможна несколькими способами. Для этого понадобиться ряд приспособлений. Сложность процесса зависит от использования конкретного вида оборудования.

Самым простым способом для плавления меди дома является муфельная печь. У мастеров по металлу найдется такое устройство, которым можно будет воспользоваться. Кусочки металла ложатся в специальную емкость - тигель. Он устанавливается в печь, на которой выставляется требуемая температура. Через смотровое окно можно заметить процесс перехода в жидкое состояние, и открыв дверцу удалить оксидную пленку. Делать это необходимо стальным крюком и в защитной перчатке. Жар от печи довольно сильный, поэтому действовать необходимо аккуратно.

Еще одним способом плавки меди в домашних условиях является пропан-кислородное пламя. Оно хорошо подходит и для сплавов металла с цинком или оловом. В качестве рабочего инструмента в руках мастера может быть горелка или резак. Ацетилен-кислородное пламя тоже подойдет, но погреть материал придется немного подольше. Кусочки сплава помещают в тигель, устанавливаемый на жаропрочное основание. Горелкой выполняют произвольные движения по всему корпусу емкости. Быстрый эффект можно получить, если следить чтобы факел пламени касался поверхности тигеля кончиком синего цвета. Там наибольшая температура.

Еще одним способом является мощная микроволновка. Но чтобы повысить теплосберегающие свойства и защитить внутренние детали техники от перегрева, необходимо поместить тигель в жаропрочный материал и накрыть его сверху. Это могут быть специальные виды кирпича.

Самым простым в экономическом плане способом служит слой древесного угля, на который устанавливается горн с медью. Усилить жар можно при помощи пылесоса, работающего на выдув. Кончик шланга направленный на угли должен быть металлическим, а сопло иметь плоскую форму для усиления потока воздуха.

Изготовление деталей и других элементов из меди, путем ее плавки в домашних условиях, возможно благодаря относительно низкой температуре разрушения кристаллической решетки в материале. Используя описанные выше приспособления и ознакомившись с видео, у большинства получится реализовать эту цель.

Температуру плавления металлов, которая изменяется от малейшего (-39 °С для ртути) до наибольшего (3400 °С для вольфрама), а также плотность металлов в твердом состоянии при 20 °С и плотности жидких металлов при температуре плавления приведены в таблице плавки цветных металлов.

Таблица 1. Плавки цветных металлов

Сварка и плавка цветных металлов

Сварка меди . Температура плавки металла Cu, почти в шесть раз превышает температуру плавки стали, медь интенсивно поглощает и растворяет различные газы, образуя с кислородом оксиды. Оксид меди II с медью образует эвтектику, температура плавления которой (1064°С) ниже температуры плавления меди (1083°С). При затвердевании жидкой меди эвтектика располагается по границам зерен, делает медь хрупкой и склонной к образованию трещин. Поэтому основной задачей при сварке меди является защита его от окисления и активное раскисление сварочной ванны.

Наиболее распространенное газовое сварки меди ацетиленокисневим пламенем с помощью горелок, которые в 1,5…2 раза мощнее горелки для сварки сталей. Присадочным металлом есть медные прутки, содержащие фосфор и кремний. Если толщина изделий более 5…6 мм, их сначала подогревают до температуры 250…300°С. Флюсами при сварке является прожаренная бура или смесь, состоящую из 70% буры и 30% борной кислоты. Чтобы повысить механические свойства и улучшить структуру наплавленного металла, медь после сварки проковывают при температуре около 200…300°С. Потом ее снова нагревают до 500-550°С и охлаждают в воде. Медь сваривают также электродуговым способом электродами, в струе защитных газов, под слоем флюса, на конденсаторных машинах, способом трения.

Сварка латуни . Латунь – это сплав меди с цинком (до 50%). Основное загрязнение при этом – испарение цинка, в итоге чего шов теряет свои качества, в нем возникают поры. Латунь, как и медь, в основном сваривают ацетиленовым окислительным пламенем, при котором на поверхности ванны создается пленка тугоплавкого оксида цинка, уменьшающая дальнейшее выгорание и испарение цинка. Флюсы используют такие же, как и при сварке меди. Они создают на поверхности ванны шлаки, которые связывают оксиды цинка и затрудняют выход паров из сварочной ванны. Латунь сваривают также в защитных газах и на контактных машинах.

Сварка бронзы . В большинстве случаев бронза – это литейный материал, поэтому

сварку применяют при исправлении дефектов или во время ремонта. Чаще всего применяют сварку металлическим электродом. Присадочным металлом является прутки того самого состава, что и основной металл, а флюсами или электродным покрытием – хлористые и фтористые соединения калия и натрия.

. Основными факторами, затрудняющими сварку алюминия, является низкая температура его плавления (658°С), большая теплопроводность (примерно в 3 раза выше теплопроводности стали), образование тугоплавких оксидов алюминия, которые имеют температуру плавления 2050°С, поэтому технология плавки цветных металлов, таких как медь или бронза, не подходит для плавки алюминия. Кроме того, эти оксиды слабо реагируют как с кислыми, так и основными флюсами, поэтому плохо удаляются из шва.

Чаще всего используют газовую сварку алюминия ацетиленовым пламенем. В последние годы значительно распространилось также автоматическая дуговая сварка металлическими электродами под флюсом и в среде аргона. При всех способах сварки, кроме аргонодуговой, применяют флюсы или электродные покрытия, в состав которых входят фтористые и хлористые соединения лития, калия, натрия и других элементов. Как присадочный металл при всех способах сварки используют проволоку или стержни того же состава, что и основной металл.

Алюминий хорошо сваривается электронным лучом в вакууме, на контактных машинах, электрошлаковым и другими способами.

Сварка сплавов алюминия . Сплавы алюминия с магнием и цинком сваривают без

особых осложнений, так же как и алюминий. Исключением является дюралюминий – сплавы алюминия с медью. Эти сплавы термически упрочняются после закалки и следующего старения. Когда температура плавки цветных металлов свыше 350°С в них происходит снижение прочности, которое не восстанавливается термической обработкой. Поэтому при сварке дюралюминия в зоне термического влияния прочность уменьшается на 40…50%. Если дюралюминий сваривать в защитных газах, то такое снижение может быть восстановлено термической обработкой до 80…90% по отношению к прочности основного металла.

Сварка магниевых сплавов . При газовой сварке обязательно применяют фторидные флюсы, которые в отличие от хлоридных не вызывают коррозии сварных соединений. Дуговая сварка магниевых сплавов металлическими электродами через низкое качество сварных швов до настоящего времени не применяется. При сварке магниевых сплавов наблюдается значительный рост зерна в около шовных участках и сильное развитие столбчатых кристаллов в сварном шве. Поэтому предел прочности сварных соединений составляет 55…60% предела прочности основного металла.

Таблица 2. Физические свойства промышленных цветных металлов

Тигельная плавка

Неотъемлемой составляющей производства металла и металлических изделий, является использование во время производственного процесса тиглей для производства, выплавки и переплавки как черного, так и цветного металла. Тигли - это неотъемлемая часть металлургического оборудования при отливании разнообразных металлов, сплавов, и тому подобное.

Керамический тигель для плавки цветных металлов используется для плавки металлов (меди, бронзы) с древнейших времен.

Плотность и температура плавления некоторых металлов.

Для металлов наиболее характерны следующие свойства:
*металлический блеск,
*твердость,
*пластичность,
*ковкость,
*хорошая проводимость тепла и электричества.

Для всех металлов характерна металлическая кристаллическая решетка:
в ее узлах находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны.
Наличие свободных электронов объясняет высокую электропроводность и теплопроводность, а также способность поддаваться механической обработке.

Теплопроводность и электропроводность уменьшается в ряду металлов:
Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg

Все металлы делятся на две большие группы:

Черные металлы
Имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления и относительно высокую твердость.
Типичным представителем черных металлов является железо.

Цветные металлы
Имеют характерную окраску: красную, желтую, белую; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления.
Типичным представителем цветных металлов является медь.

В зависимости от своей плотности металлы делятся на:
*Легкие (плотность не более 5 г/см)
К легким металлам относятся: литий, натрий, калий, магний, кальций, цезий, алюминий, барий.
Самый легкий металл - литий 1л, плотность 0.534 г/см3.
*Тяжелые (плотность больше 5 г/см3).
К тяжелым металлам относятся: цинк, медь, железо, олово, свинец, серебро, золото, ртуть и др.
Самый тяжелый металл - осмий, плотность 22,5 г/см3.

Металлы различаются по своей твердости:
*Мягкие : режутся даже ножом (натрий, калий, индий);
*Твердые : металлы сравниваются по твердости с алмазом, твердость которого равна 10. Хром - самый твердый металл, режет стекло.

В зависимости от температуры плавления металлы условно делятся на :
*Легкоплавкие (температура плавления до 1539°С).
К легкоплавким металлам относятся: ртуть - температура плавления -38,9°С; галлий - температура плавления 29,78°С; цезий - температура плавления 28,5°С; и другие металлы.
*Тугоплавкие (температура плавления выше 1539 С).
К тугоплавким металлам относятся: хром - температура плавления 1890°С; молибден - температура плавления 2620°С; ванадий - температура плавления 1900°С; тантал - температура плавления 3015°С; и многие другие металлы.
Самый тугоплавкий металл вольфрам - температура плавления 3420°С.

После проведения кристаллизации необходимо удостовериться, что вещество является достаточно чистым. Наиболее простым и эффективным методом идентификации и определения меры чистоты вещества является определение его температуры плавления (Т пл). Температурой плавления называют интервал температур, при котором твердое вещество переходит в жидкую фазу. Все чистые химические соединения имеют узкий температурный интервал перехода из твердого состояния в жидкое. Этот температурный интервал для чистых веществ составляет максимум 1–2 о С. Использование температуры плавления в качестве меры чистоты вещества основывается на том, что присутствие примесей (1) понижает температуру плавления и (2) расширяет температурный интервал плавления. Например, чистый образец бензойной кислоты плавится в интервале 120–122 о С, а слегка загрязненный – при 114-119 о С.

Использование температуры плавления для идентификации отличается, очевидно, большой неопределенностью, так как существует несколько миллионов органических соединений, и неизбежно температуры плавления многих из них совпадают. Однако, во-первых, Т пл полученного в синтезе вещества почти всегда отличается от Т пл исходных соединений. Во-вторых, можно использовать методику «определения температуры плавления смешанной пробы». Если Т пл смеси равных количеств исследуемого вещества и известного образца не отличается от Т пл последнего, то оба образца представляют собой одно и то же вещество.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ . Тщательно растирают исследуемое вещество в тонкий порошок. Заполняют веществом капилляр (на 3–5 мм по высоте; капилляр должен быть тонкостенным, запаянным с одной стороны, с внутренним диаметром 0.8–1 мм и высотой 3–4 см). Для этого осторожно вдавливают капилляр открытым концом в порошок вещества и периодически ударяют его запаянным концом о поверхность стола 5–10 раз. Для полного смещения порошка к запаянному концу капилляра его бросают в вертикальную стеклянную трубку (длиной 30–40 см и диаметром 0.5–1 см) на твердую поверхность. Вставляют капилляр в металлическую кассету, закрепленную на носике термометра (рис. 3.5), и помещают термометр с кассетой в прибор для определения температуры плавления.

В приборе термометр с капиллярами нагревается электрической спиралью, напряжение на которую подается через трансформатор, и скорость нагрева определяется подаваемым напряжением. Сначала нагревают прибор со скоростью 4– 6 о С в минуту, а за 10 о С до предполагаемой Т пл нагревают со скоростью 1–2 о С в минуту. За температуру плавления принимают интервал от размягчения кристаллов (смокания вещества) до полного их плавления.

Полученные данные записывают в лабораторный журнал.

1. Перегонка

Перегонка является важным и широко используемым методом очистки органических жидкостей и разделения жидких смесей. Этот метод заключается в кипячении и выпаривании жидкости с последующей конденсацией паров в дистиллят. Разделение двух жидкостей с разницей температур кипения 50–70 о С и более можно осуществить простой перегонкой. Если разница меньше, необходимо использовать фракционную перегонку на более сложном приборе. Некоторые жидкости с высокими температурами кипения в процессе перегонки разлагаются. Однако при снижении давления температура кипения понижается, что позволяет перегонять высококипящие жидкости без разложения в вакууме.

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.