Какова температура плавления металлов

Температура плавления металла в градусах

Металлы и многие другие материалы могут находиться в твердом или жидком состоянии. При воздействии определенной температуры кристаллическая решетка металла преобразуется, что приводит к повышению пластичности и снижению твердости. За счет подобной формы получают различные сплавы и литые изделия. Однако не всегда низкая температура плавления является положительным качеством материала. В некоторых случаях изготавливаемое изделие должно выдерживать нагрев при эксплуатации. Рассмотрим то, какой может быть температура плавления металла в градусах и от чего зависит подобный показатель.

Твердое и жидкое состояние металла

Многие знакомы с металлами и сплавами по их твердому состоянию. Они встречаются практически во всех сферах деятельности. Только в металлургии и в производственных цехах металл встречается в жидком состоянии. Это связано с тем, что для преобразования кристаллической решетки приходится проводить нагрев сырья до рекордных температур.

Твердое состояние характеризуется следующими качествами:

1. Структура держит свою форму. Сталь известна тем, что может выдерживать серьезную нагрузку в течение длительного периода.
2. Каждому материалу свойственны свои показатели прочности и твердости, вязкости.
3. Постоянный химический состав. Поверхность стали или других сплавов может реагировать на воздействие химических веществ, окисляться или покрываться коррозий, но вот химический состав остается неизменным.
4. Возможность обработки резанием. При повышении пластичности не образуется стружка на момент механической обработки, что существенно усложняет процесс.

В жидком или вязком состоянии металл приобретает совсем другие свойства:

1. Высокая пластичность позволяет выполнять литье по форме, ковку или проводить другую обработку, связанную с пластической деформацией заготовок.
2. Есть возможность изменить химический состав путем добавления легирующих элементов. За счет подвижной кристаллической решетки можно проводить насыщение структуры стали хромом, никелем, титаном и многими другими веществами.
3. Термическая обработка проводится также при температуре, которая приводит к перестроению кристаллической решетки. Однако при закалке металл сохраняет свою форму, то есть структура остается твердой.

Существуют сплавы, которые можно разогреть до жидкого состояния и в домашних условиях. Примером можно назвать олово, применяемое при изготовлении припоя. Температура плавления олова находится в пределах 250 градусов Цельсия. Этот показатель нагрева можно достигнуть при применении обычного паяльника.

От чего может зависеть температура плавления

Для различных материалов температура, при которой происходит полное перестроение структуры до текучего состояния, разная. Если рассматривать сталь и различные сплавы, то отметим следующие зависимости:

1. В чистом виде металлы встречаются довольно редко. Во многом показатель температуры кипения зависит от химического состава. Примером назовем олово, в которое могут добавлять цинки, серебро и другие элементы. Примеси могут делать материал более или менее устойчивым к нагреву.
2. Существуют сплавы, которые из-за своего химического состава могут переходить в жидкое состояние при температуре выше 150 градусов Цельсия. Кроме этого, встречаются сплавы, структура которых может выдерживать нагрев до 3 000 градусов Цельсия и более. С учетом того, что при перестроении кристаллической решетки изменяются все физико-механические качества, а условия эксплуатации могут характеризоваться температурой нагрева, можно сказать: точка плавления металла — важное физическое свойство вещества. Примером можно назвать изготовление деталей для авиационного оборудования.

Термическая обработка, как правило, практически не изменяет устойчивость структуры к нагреву. Единственным способом повышения устойчивости к нагреву можно назвать изменение химического состава, для чего и проводится легирование стали.

Важность рассматриваемого показателя

Температура плавления материалов учитывается практически во всех сферах их применения. Примером можно назвать то, что на момент рождения авиации не могли использовать обычный алюминий, так как он быстро нагревался из-за трения и терял свои линейные размеры. Появление дюралюминия существенно изменило мир авиации. После его открытия все дирижабли и самолеты стали изготавливать при обширном применении этого сплава.

Нагреву подвергаются и многие другие ответственные детали различных механизмов. Примером назовем ведущие валы различных механизмов, звездочки и шестерни, которые из-за непосредственного контакта также теряют свою твердость, что приводит к повышенному износу.

Существует довольно большое количество справочников, в которых указывается температура плавления для всех металлов и иных сплавов. При рассмотрении этого показателя следует учитывать химический состав. Даже незначительное изменение концентрации одного из элементов приведет к повышению или понижению температуры перестроения кристаллической решетки.

Температуры плавления металлов

Поділитися
Поделится

Температуры плавления металлов

Температурой плавления металла обозначают значение, при котором разрушается кристаллическая решетка металлического вещества с сохранением его объема. Перейдя этот порог, вещества теряют свои первоначальные свойства: форму, твердость, пластичность. Металл не является исключением. В физике принято считать эту характеристику постоянной величиной для отдельных веществ, но в реальности всё обстоит немного иначе. Сплавы, которые используются в промышленности, включают в себя металлические элементы с различными показателями этого параметра.

Кристаллические решетки, образованные в процессе застывания сплава, отличаются от своих предшественников и в результате отличается и температура плавления металла. В зависимости от этого показателя принято разделять все сплавы на:

• легкоплавкие;
• средне плавкие;
• тугоплавкие.

Рассмотрим, какие параметры, необходимые для плавления, присущи той или иной группе металлов, а также выделим основных их представителей.

Температуры плавления металлов разных групп

Металлы, которые при нагревании до 600 градусов по Цельсию теряют свои свойства, называют легкоплавкими. К таким относятся сплавы, используемые для создания бытовой техники или электроники. Они зачастую служат для соединения проводов и металлических элементов. Такие элементы можно расплавить самостоятельно с помощью паяльника или на газовой плите. Самыми часто используемыми представителями группы являются олово с температурой плавления 231,9 градуса и цинк — он плавится при 419,5 градусах по Цельсию.

Среднеплавкие сплавы начинают терять свойства при температуре от 600 до 1600 градусов по Цельсию. К этой группе относят медь, алюминий, золото и серебро. Эти элементы используются для изготовления арматур, плит и листов, а ещё в декоре и ювелирной индустрии. Часто такие изделия применяются в строительстве, автомобилестроении и авиастроении. Низший показатель в этой группе принадлежит алюминию — 660,3 градусов по Цельсию.

К драгоценным металлам часто добавляют медь, повышая при этом порог плавления. Например, температура плавления сплава меди и золота равна 1084 градусам по Цельсию. К среднеплавким также относится и железо, обладающие порогом плавления в 1538 градусов — один из самых высоких показателей в группе. Железо нашло свое применение в основном в строительстве и автопромышленности. Несмотря на очевидные преимущества, железо легко поддается коррозии, что вынуждает к дополнительной обработке сплава.

К тугоплавким металлам относят сплавы, которые меняют своё состояние из твердого в жидкое, когда их температура становится больше 1600 градусов. Вольфрам, хром, а также титан и платина причисляются именно к этой группе.

Применяются такие элементы в изделиях, от которых требуется стойкость к давлению, механическим и термическим нагрузкам — например, в несущих деталях кузовов автомобилей. Также их используют для плавления других металлов, а также для изготовления проводов и нитей накаливания. Платина плавится при 1769 градусах, в то время как вольфрам теряет свои свойства при 3420 градусах по Цельсию.

Отметим, что повышение давления, оказываемое в процессе плавке на сплав, способствует снижению температуры расплавления.

Говоря про группы металлов и их категорию плавления, важно вспомнить про ртуть. Она является жидким металлом, даже находясь в нормальных условиях. Всего 39 градусов по Цельсию достаточно для того, чтобы ртуть стала жидкой. Пары этого металла являются токсичным веществом для человека, поэтому эксплуатировать предметы, в состав которых входит ртуть, стоит с осторожностью. К таким относятся ртутные градусники, термометры и барометры.

Температура плавления металлов

Каждый металл и сплав имеет собственный уникальный набор физических и химических свойств, среди которых не последнее место занимает температура плавления металлов. 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 металлов у вольфрама: она составляет 3422 °C, самая низкая — у ртути: элемент плавится уже при — 39 °C. 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.

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.

Взависимости от температуры плавления металлы делятся на:

1. Легкоплавкие: им необходимо не более 600°C. Это цинк, свинец, виснут, олово.

1. Среднеплавкие: температура плавления колеблется от 600°C до 1600°C. Это золото, медь, алюминий, магний, железо, никель и большая половина всех элементов.

1. Тугоплавкие: требуется температура свыше 1600°C, чтобы сделать металл жидким. Сюда относятся хром, вольфрам, молибден, титан.

В зависимости от температуры плавления металлов 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.

Свойства и применение тугоплавких металлов

В таблице химических элементов Менделеева можно выделить ряд химических элементов (в основном металлов), которые обладают такими общими свойствами, как очень высокая температура плавления, высокая механическая прочность и высокая износостойкость. Это – тугоплавкие металлы. Понятие обычно рассматривается в двух аспектах, узком и широком. В первом случае говорят о металлах, имеющих температуру плавления более 2000°C (ниобий, хром, молибден, тантал, вольфрам и рений).

• Технологии производства
• Виды и области применения

В более широком смысле к тугоплавким металлам относят такие, температура плавления которых превышает 1850°C: ванадий, гафний, титан, цирконий, рутений, осмий, родий и иридий. Характерно, что эти химические элементы имеют объёмно-центрированную кубическую кристаллическую решётку.

Свойства тугоплавких металлов

Главной характеристикой тугоплавких металлов является их жаропрочность. Они прочны при экстремально высоких температурах и твёрдые по своей природе. Также эти металлы обладают высокой устойчивостью к таким факторам, как термический шок. Это означает, что они не будут растрескиваться, расширяться или испытывать механические напряжения при многократном охлаждении и нагревании.

Все элементы этой группы обладают высокий плотностью, а также хорошими тепловыми и электрическими свойствами. Они также устойчивы к ползучести, поэтому очень медленно деформируются при воздействии внешней напряженной среды. Минимальная ползучесть объясняется способностью образовывать защитный противокоррозионный слой, который сохраняет целостность даже при высоких температурах.

Например, самый тугоплавкий металл – это рений, температура плавления которого составляет 3186°C, при температуре точки кипения 5596°C. Сопротивление ползучести обычно варьируется в пределах 500…1000 0 С.

Химические свойства тугоплавких металлов также разнообразны. Как правило, эти металлы легко окисляются, но реакцией окисления можно управлять, создавая стабильные слои оксида поверх основного металла. Тем не менее, все тугоплавкие металлы устойчивы к воздействию кислот.

Рассматриваемые химические элементы обладают не только высокими температурами плавления, но и высоким уровнем твёрдости при комнатной температуре.

Технологии производства

Высокие температуры плавления предопределяют порошковую металлургию основным способом получения конечной продукции.

Обычно вопрос о том, какие металлы – тугоплавкие, решается тем, к какой из трёх категорий они относятся:

• Твёрдые сплавы;
• Оксидные или карбидные дисперсно-упрочненные материалы;
• Материалы с легированными свойствами.

Так, все продукты на основе вольфрама и большая часть молибденовых продуктов перерабатываются с помощью порошковой металлургии, поскольку из-за высокой температуры плавления, они не могут быть произведены методом распыления. Таким образом, процессы химического восстановления и электролиз — единственные практические методы.

Порошки, полученные электролитическим способом из водных электролитов или в расплавленном состоянии, имеют высокую чистоту и активны во время спекания. Однако у них есть следующие недостатки:

• Для удаления из электролита остаточных примесей необходима очистка;
• Процесс часто является дорогостоящим, потребляя много электроэнергии из-за низкого КПД по току;
• Процесс ограничен производством чистых металлических порошков, так как этим методом невозможно производить порошки сплавов.

Восстановителями, используемыми в большинстве процессов, являются углерод и водород — в их элементарной форме, либо в виде газообразных соединений или смесей (углеводородов, крекинг-аммиака или монооксида углерода).

Ещё недавно для производства молибдена и его сплавы применялось вакуумное литьё, однако в современных производствах и здесь используется порошковая металлургия. Эффективность восстановления металлического порошка зависит от:

• Требуемой энергии активации;
• Химического состава и степени дисперсности металлопорошка;
• Скорости потока восстанавливающего газа – водорода.

Порошковая металлургия — единственный путь производства сплавов, компонентами которых являются тугоплавкие металлы, в том числе, и на уровне нанопорошков. Среди различных методов, исследуемых для производства тугоплавких наносплавов — традиционный путь реакции газ-твердое тело, реализация которого позволяет производить наноструктурированные порошки в значительных количествах и с широкими возможностями обеспечения качества.

Важно подчеркнуть, что высокотемпературные технологии порошковой металлургии позволяют изготавливать материалы по индивидуальному заказу. Правильно подобрав исходный материал, можно соответствующим образом контролировать состав конечного продукта.

Третий способ – использование 3D-печати. Это активно развивающаяся технология, которая идеально подходит для производства легких, высокостабильных компонентов из вольфрама, молибдена, ниобия, тантала и их сплавов со сложной геометрической структурой.

Нанопорошки тугоплавких металлов получают следующими способами:

1. Селективным лазерным спеканием.
2. Селективным лазерным плавлением.
3. Электронно-лучевым плавлением.
4. Прямым осаждением.
5. Быстрым прототипированием.

Виды и области применения

Благодаря своим уникальным качествам тугоплавкие металлы очень полезны для различных областей применения и отраслей. Их основные преимущества:

• Сверхвысокая точка плавления. В частности, к тугоплавким металлам относятся вольфрам, молибден и тантал, которые применяются при производстве стекла;
• Прочность при сверхвысоких температурах. Например, конусы ракет, сделанные из вольфрама, имеют вдвое большую прочность на разрыв, чем железо при нормальных температурах;
• Превосходная стойкость к истиранию и износу, что позволяет продлить срок службы седел клапанов, уплотнений, форсунок и других участков, подверженных сильному износу;
• Отличная коррозионная стойкость, поэтому особо ответственные трубопроводы на химических предприятиях обычно изготавливаются из тугоплавких металлов;
• Устойчивость к тепловому удару. В частности, вольфрамовые изделия могут противостоять нагрузкам, вызванным быстрым расширением из-за резких перепадов температуры;
• Тепловая и электрическая проводимость, вследствие чего из вольфрама и молибдена изготавливают детали радиаторов;
• Чрезвычайная твердость, поэтому высокостойкий режущий штамповый и бурильный инструмент производят из карбида вольфрама;
• Высокая плотность тугоплавких металлов – причина их применения при изготовлении головок клюшек для гольфа и авиационных гироскопов.

Кроме того, эти материалы используются в качестве катализаторов химических реакций, при процессах ядерного синтеза и т.д.

К тугоплавким металлам относятся получившие особое распространение вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений и хром. Об особенностях их применения – далее.

Вольфрам

Вольфрам — самый распространенный среди тугоплавких металлов. Он имеет самую высокую температуру плавления и одну из самых высоких плотностей. Обладает также высокой устойчивостью к коррозии. Широко используется в проволочных волокнах, например, в большинстве ламп накаливания, используемых в домах, а также в промышленных дуговых лампах и прочей технике для освещения.

Молибден

Молибден — наиболее используемый тугоплавкий металл из всех, потому что он дешевле, чем большинство других, и, когда он превращен в сплав, может быть очень устойчивым к ползучести и высоким температурам. Он также не образует амальгам, что делает его устойчивым к коррозии.

Молибден используется для упрочнения стальных сплавов, особенно в конструкционных трубопроводах и насосно-компрессорных трубах. Этот металл также обладает отличными антифрикционными качествами, что делает его идеальным компонентом масел и смазок, используемых в автомобилях.

Ниобий

Обладает оптимальным сочетанием пластичности и прочности. Его можно использовать при изготовлении электролитических конденсаторов, сверхпроводников, ядерных реакторов и электронных ламп.

Тантал

Более других устойчив к коррозии, поэтому находит применение в медицине (особенно – хирургии), а также в средах с повышенной кислотностью. Тантал также является основным компонентом компьютерных, телефонных и конденсаторных цепей.

Рений

Известен своей высокой прочностью на разрыв и пластичностью. Он широко используется в ядерных реакторах, гироскопах и других электрических компонентах. Из-за своей редкости рений очень дорог. Понятие коррозионной стойкости особенно актуально именно для рения, потому что он очень летуч. Может терять устойчивость к воздействию кислорода при высоких температурах, поскольку оксидный слой активно испаряется.

Хром обладает высокой коррозионной стойкостью. После полировки он приобретает очень блестящую поверхность, которая используется для покрытия других свлавовов, чтобы сформировать защитную и – одновременно — привлекательную отделку. Используется в производстве металлокерамики, красок/красителей, нержавеющих сплавов, форм для обжига кирпича, в качестве катализатора при крашении и дублении кожи, а также в металлургии специальных сталей.