Температуры плавления металлов

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 некоторых металлов 

Металл	Температура плавления (°C)	Плотность (г/см³)	Теплоемкость (Дж/г·K)	Теплопроводность (Вт/м·K)
Алюминий	660	2.7	0.9	237
Железо	1538	7.87	0.45	80.4
Медь	1083	8. 96	0.39	401
Никель	1455	8.9	0.44	90.9
Олово	327	7.3	0.22	67
Серебро	961	10.5	0.24	429
Свинец	327	11.3	0.13	35.3
Титан	1668	4.5	0.52	21.9
Цинк	420	7.14	0.39	116
Хром	1907	7.19	0.45	94.5

Температура плавления алюминия

Плавление алюминия, как и других веществ, происходит при подводе к нему тепловой энергии, снаружи или непосредственно в его объём, как это происходит, например, при индукционном нагреве.

Температура плавления чистого алюминия

Влияние чистоты алюминия 

Температура плавления алюминия зависит от его чистоты:

• Температура плавления сверхчистого алюминия 99,996 %: 660,37 °С.
• При содержании алюминия 99,5 %  плавление начинается при 657 °С.
• При содержании алюминия 99,0 % плавление начинается при 643 °С.

Table 1 –  Relationship between the Purity Aluminium and its Melting Point [2]

Влияние давления

Fig. 1-1 – Relationships between the melting point of aluminium and applied pressure [2]

Температура плавления металлов

Металлы и неметаллы

Любой кусок металла, например, алюминия, содержит миллионы отдельных кристаллов, которые называются зернами. Каждое зерно имеет свою уникальную ориентацию атомной решетки, но все вместе зерна ориентированы внутри этого куска случайным образом. Такая структура называется поликристаллической.

Аморфные материалы, например, стекло,  отличаются от кристаллических материалов, например, алюминия, по двум важным отличиям, которые связаны друг с другом:

• отсутствие дальнего порядка молекулярной структуры
• различия в характере плавления и термического расширения.

Различие молекулярной структуры можно видеть на рисунке 1. Слева показана плотно упакованная и упорядоченная кристаллическая структура. Аморфный материал показан справа: менее плотная структура со случайным расположением атомов.

Figure 1-2 – Illustration of difference in structure between:
(a) crystalline and (b) non-crystalline materials.
The crystal structure is regular, repeating, and denser,
whereas the non-crystalline structure is more loosely packed and random [3]

Плавление металлов

Это различие в структуре проявляется при плавлении металлов, в том числе, плавлении алюминия различной чистоты и его сплавов. Менее плотно упакованные атомы дают увеличение объема (снижение плотности) по сравнению с тем же металлом в твердом кристаллическом состоянии.

Металлы при плавлении испытывают увеличение объема. У чистых металлов это объемное изменение происходит весьма резко и при постоянной температуре – температуре плавления, как это показано на рисунке 2. Это изменение представляет собой разрыв между наклонными линиями по обе стороны от точки плавления. Обе эти наклонные линии характеризуют температурное расширение металла, которое обычно является различным в жидком и твердом состоянии.

Fig. 2 – Characteristic change in volume for a pure metal (a crystalline structure),
compared to same volumetric changes in glass (noncrystalline structure) [3]

Теплота плавления

С этим резким увеличением объема при переходе металла из твердого состояния в жидкое  связано определенное количество тепла, которое называется скрытой теплотой плавления. Это тепло заставляет атомы терять плотную и упорядоченное кристаллическую структуру. Этот процесс является обратимым, он работает в обоих направлениях – и при нагреве, и при охлаждении.

Равновесная температура плавления

Как было показано выше, чистые кристаллические вещества, например, чистые металлы, имеют характерную температуру плавления, которую часто называют «точкой плавления».  При этой температуре это чистое твердое кристаллическое вещество плавится и становится жидкостью. Переход между твердым и жидким состоянием для малых образцов чистых металлов настолько мал, что может измеряться с точностью 0,1 ºС.

Жидкости имеют характерную температуру, при которой они превращаются в твердое вещество. Эту температуру называют температурой затвердевания или точкой затвердевания. Теоретически – в равновесных условиях – равновесная температура плавления твердого вещества является той же самой, что и равновесная температура его затвердевания. На практике можно наблюдать небольшие различия между этими величинами (рисунок 3).

Figure 3 – (a) Ideal freezing curve of a pure metal;
(b) Natural freezing and heating curves of a pure metal [4]

Температуры ликвидус и солидус

• Температура начала плавления называется температурой солидус (или точкой солидус)
• Температура окончания плавления – температурой ликвидус (или точкой ликвидус).

«Солидус» означает, понятно, твердый, а «ликвидус» – жидкий: при температуре солидуса весь сплав еще твердый, а при температуре ликвидуса – весь уже жидкий.

При затвердевании этого сплава из жидкого состояния температура начала кристаллизации (затвердевания) будет та же температурой ликвидус, а окончания кристаллизации – та же температура солидус. При температуре сплава между его температурами солидуса и ликвидуса он находится в полужидком-полутвердом, кашеобразном состоянии.

Плавление алюминия

Влияние легирующих элементов и примесей

Добавление в алюминий других элементов, в том числе легирующих, снижает температуру его плавления, точнее – начала его плавления. Так, у некоторых литейных алюминиевых сплавов с большим содержанием кремния и магния температура начала плавления снижается почти до 500 °С. Вообще, понятие «температура плавления» распространяется только на чистые металлы и другие кристаллические вещества. У сплавов же нет определённой температуры плавления: процесс их плавления (и затвердевания) происходит в некотором интервале температур.

Figure  4 – Changes in volume per unit weight (1/density) as a function of temperature
for a hypothetical pure metal, alloy, and glass;
all exhibiting similar thermal expansions and melting characteristics [3]

Интервалы температуры плавления

В таблице ниже представлены температуры ликвидуса и солидуса некоторых промышленных деформируемых сплавов. Необходимо иметь в виду, что понятия температур солидус и ликвидус определены для равновесных превращений жидкой фазы в твердую и обратно, то есть при бесконечной длительности процессов. На практике надо делать поправки с учетом скорости нагрева или охлаждения.

Table 2 – The points of liquidus and solidus of some aluminium alloys [1]

Плавление силумина

Не все сплавы имеют интервал между температурами солидус и ликвидус. Такие сплавы называют эвтектическим. Например, у алюминиевого сплава с содержанием 12,5 % кремния точки ликвидуса и солидуса сводятся в точку: этот сплав как и чистые металлы имеет не интервал, а точку плавления. Эта точка и температура называются эвтектическими. Этот сплав относится к знаменитым литейным алюминиево-кремниевым сплавам – силуминам с узким интервалом солидус-ликвидус, что и дает их лучшие литейные свойства.

В двойном сплаве Al-Si температура солидус постоянна и составляет 577 °С. При увеличении содержания кремния температура ликвидус снижается от максимального значения для чистого алюминия 660 °С и до совпадения с температурой солидуса 577 °С при содержании кремния 12,6 %.

Среди других легирующих элементов алюминия сильнее всего понижает температуру плавления магний: эвтектическая температура 450 °С достигается при содержании магния 18,9 %. Медь дает эвтектическую температуру 548 °С, а марганец – всего лишь 658 °С! Большинство сплавов являются не двойными, а тройными и даже четверными. Поэтому при совместном влиянии нескольких легирующих элементов температура солидуса – начала плавления или конца затвердевания может быть еще ниже.

Затвердевание алюминия

Чистый алюминий

Чистые металлы, в том числе, чистый алюминий, имеют четкую температуру плавления – точку плавления.   Затвердевание или «замерзание» чистого алюминия происходит также при постоянной температуре. Когда чистый жидкий алюминий  охлаждается, его температура падает до температуры затвердевания и остается при этой температуре, пока весь он (жидкий алюминий) не затвердеет. На рисунках 5 и 6 показаны типичные кривые охлаждения чистого металла с переходом его из жидкого состояния в твердое.

Figure 5 – Cooling curve for a pure metal during casting [3]

Figure 6 – Solidification of pure aluminium [5]

Алюминиевый сплав

При затвердевании алюминиевого сплава, который состоит из алюминия и растворенного в нем легирующего элемента, например, кремния или меди, то кривая охлаждение этого сплава показывает, что начало затвердевания происходит при одной температуре, а окончание – при другой температуре (рисунок 7).

Figure 7 – Cooling curve for an aluminium alloy casting (adapted from [3])

Расплавление алюминиевых сплавов для литья

Для нагрева алюминиевого сплава до температуры жидкого состояния, при которой  возможно выполнение операций литья, применяют плавильные печи различных видов. Тепловая энергия, которая требуется для того, чтобы нагреть металл до температуры жидкого состояния, при которой его можно разливать в литейные формы, состоит из суммы следующих компонентов:

• Теплота, чтобы поднять температуру металла до температуры плавления
• Теплота плавления, чтобы перевести металл из твердого состояния в жидкое состояние
• Теплота для нагрева расплавленного металла до заданной температуры разливки

Температура разливки – это температура расплавленного металла, при которой он заливается в литейную форму. Важным фактором здесь является разность между температурой разливки и температурой, при которой начинается затвердевание. Этой температурой является температура (точка) плавления для чистого  алюминия или температура ликвидус для алюминиевого сплава. Эту разность температур иногда называют перегревом. Этот термин также может применяться для количества теплоты, которое надо отобрать от жидкого металла между разливкой и моментом начала затвердевания.

Температура кипения

• Температура кипения чистого алюминия составляет 2494 ºС [1]

Другие термические свойства алюминия [1]:

• скрытая теплота плавления: 397 кДж/г
• удельная теплота испарения: 1,18 · 10^-4 MДж/(г·К)
• теплота сгорания: 31,05 МДж/кг
• теплоемкость: 0,900 кДж/(г·К) при 25 ºС;
  1,18 кДж/(г·К) при 660,4 ºС (жидкий)

Температура плавления различных металлов

Температура плавления некоторых других чистых металлов составляет (градусы Цельсия) [1]:

• ртуть: минус 39
• литий: 181
• олово: 232
• свинец: 328
• цинк: 420
• магний: 650
• медь: 1085
• никель: 1455
• железо: 1538
• титан: 1670

Источники:
1. Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International, 1993
2. Handbook of Aluminum: Vol. 1, ed. G. E. Totten, D. S. MacKenzie, 2003
3. Groover, Mikell P. Fundamentals of modern manufacturing: materials, processes and systems, 4th ed. – JOHN WILEY & SONS, 2010
4.  Introduction to Alloy Phase Diagrams – ASM International, 1992
5. TALAT 1205

Как растопить винную бутылку в печи?

Вы не можете плавить стекло в обычной бытовой печи, потому что стекло имеет температуру плавления около 1400-1600°C (см. здесь). Большинство бытовых духовок работают при температуре около 200-250°С, поэтому в обычной духовке стекло не расплавится. Возможно, вы не сможете сформировать стекло, если будете использовать духовку, температура которой может достигать 500 градусов.

При какой температуре плавится винная бутылка?

Растопите бутылку по желанию.

Начиная с 1300°F (704°C) вы должны повышать температуру со скоростью 300°F (148°C) в час, пока не достигнете температуры около 1430°F (776°C).

Можно ли плавить стекло в духовке?

Стекло имеет температуру плавления около 1400-1600°C (см. здесь), а большинство бытовых духовок имеют предельную температуру около 200-250°C, так что нет, вы не можете плавить стекло в обычной домашней печи.

При какой температуре плавится стекло?

Стекло можно формовать только при очень высоких температурах. Он полностью плавится/разжижается примерно при температуре от 1400°С до 1600°С в зависимости от состава стекла.

Как плавить стеклянные бутылки?

Бутылки могут быть расплавлены путем драпирования, при котором масса расплавленного стекла принимает форму над формой при температуре 1200 F. Стеклянные шарики можно расплавлять до тех пор, пока они не слипнутся, используя метод сплавления прилипанием при температуре 1350 F. Измельченные куски можно поместить в форму литьем во фритту при 1480 F.

Можно ли плавить стеклянные бутылки в микроволновке?

При какой температуре плавится стекло в печи?

1300º-1500º по Фаренгейту
ВИДЫ ОБЖИГА

После сборки вырезанных или обрезанных кусков совместимого стекла изделие помещается в печь. Печь будет медленно нагревать стекло от комнатной температуры до температуры плавления (1300º-1500º по Фаренгейту) и снова медленно снижать температуру в соответствии с выбранной программой обжига или графиком.

Может ли костер расплавить стекло?

Легко воспламеняется? Огонь не зажжет стекло. Однако стекло может расплавиться, даже если оно не кипит, хотя и не горит. Температура плавления составляет от 1400 до 1600 градусов по Цельсию, или около 2900 градусов по Фаренгейту.

Можно ли плавить стекло дома?

Не смешивайте стеклянные бутылки. Мы все знаем, что переработка важна, и плавление стеклянных бутылок в домашних условиях — один из творческих способов сделать это. Стеклянные бутылки можно переплавить для изготовления украшений, оконных стекол или других произведений искусства. Чтобы плавить стекло успешно и безопасно, у вас должна быть печь.

Можно ли расплавить битое стекло и использовать его повторно?

Стекло можно бесконечно перерабатывать, измельчая, смешивая и расплавляя его вместе с песком и другими исходными материалами.

При какой температуре плавится пивная бутылка?

между 1400 и 1600 градусами по Фаренгейту
Кремнезем, карбонат натрия и карбонат кальция являются основными ингредиентами стекла. Температура плавления большинства стекол составляет от 1400 до 1600 градусов по Фаренгейту.

Можно ли расплавить стекло паяльной лампой?

Большая часть стекла плавится при температуре от 1400 до 1600 градусов по Фаренгейту. Тем не менее, существуют специальные стекла, которые плавятся уже при 900 градусах. Печь необходима для повышения температуры стекла до 1400-1600 градусов, а паяльная лампа может поднять температуру стекла примерно до 900 градусов.

Почему у стекла нет точки плавления?

Стекло не имеет фиксированной точки плавления, как вода. Скорее, по мере нагревания стекло все больше и больше размягчается и постепенно плавится в широком диапазоне температур. Чем горячее становится, тем легче течет стекло. Сопротивление жидкости течению называется ее ВЯЗКОСТЬЮ.

Технология микроволновой плавки стекла | Гиротрон Технология, Инк.

• Дом
• Изделия для микроволновых технологий
• Технология плавки стекла

Стекло и стеклокерамика могут плавиться с использованием технологии микроволновой плавки стекла. Его можно быстро расплавить непосредственно лучом гиротрона со скоростью нагрева более 1000 градусов по Цельсию (20000F) в секунду. В результате можно преодолеть многие из нынешних трудностей при плавке стекла и переплавке отходов стекла, обеспечив высокоэффективный и более короткий процесс плавки, а также открыв путь для небольших емкостей для плавки стекла. Есть два способа сделать это.

Первый – использование гиротрона вне плавильного резервуара для непрерывного процесса изготовления стеклянных гранул конечного состава, в результате чего получается практически безгазовое вещество. Использование таких окатышей в обычной стекловаренной печи значительно сокращает время плавки и рафинирования. Второй доступный метод — это прямое плавление стеклокерамики на поверхности расплавленного стекла. Такой подход также помогает решить актуальную проблему с переплавкой отходов стекла. Пена образуется за счет выделения пузырьков воздуха при нагревании стеклянного порошка или стеклокерамических композиций. Воздух, попавший в пену, высвобождается очень медленно. Этот медленный процесс ограничивает производительность плавки отходов, блокируя поток поступающей композиции или отходов. В текущем процессе плавления пена нагревается в основном за счет пассивной теплопроводности ванны расплава. Из-за внутренней природы пены его теплопроводность чрезвычайно низкая.

В то же время для ускорения выхода воздуха пену необходимо нагревать до более высокой температуры, снижая ее вязкость. Повышение температуры пены даже на 1000°С снижает вязкость стекла почти в десять раз, ускоряя стекание пузырьков также в десять раз.

Путем прямого нагрева слоя пены на поверхности расплавленного стекла и поступающего состава стекла или отходов луч гиротрона ускоряет деаэрацию пены стекла, обеспечивая эффективный технологический процесс микроволновой плавки стекла.

Промышленная микроволновая печь является очень хорошим источником энергии для нагрева материалов, поскольку она легко управляема, способна нагревать стекло объемно или исключительно (в зависимости от того, что требуется для конкретной задачи) и обеспечивает очень высокий КПД. Низкочастотная микроволновая печь, похожая на вашу кухонную микроволновую печь, не имела большого успеха в применении на промышленных предприятиях. Сравнительно низкая частота промышленной микроволновой печи затрудняет управление распределением мощности, что делает ее далеко не идеальным промышленным инструментом.

К счастью, высокочастотные микроволны стали доступны благодаря разработке относительно нового микроволнового генератора — гиротрона. Этот многофункциональный промышленный инструмент генерирует микроволновый луч мощностью от нескольких кВт до более 1 МВт с диаметром луча около 10 мм. Луч может быть сфокусирован, распределен по поверхности, направлен или даже разделен, и все это с превосходной плотностью тепла там, где он сфокусирован, и без нагрева там, где он не сфокусирован, благодаря использованию простых металлических зеркал. Это воплощение промышленной мечты, обеспечивающей технические возможности нагрева, неслыханные с обычными источниками тепла.

Оборудование

Gyrotron можно легко встроить в существующие производственные линии.