Металлы с низкой температурой плавления применение. При какой температуре плавится медь, плавление
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:
- При температуре 20-100 градусов металл находится в твердом состоянии. Последующий нагрев содействует изменению цвета, что происходит при удалении верхнего оксида.
- 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.
- Закипает материал при 2595 градусах. Это схоже с кипением густой жидкости, где также происходит выделение углерода.
- Когда источник тепла выключается, то пиковая температура начинает понижаться. При кристаллизации происходит замедление снижения температуры.
- 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.
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.
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 .
- Увеличивается давление - увеличится величина плавления.
- Уменьшается давление - уменьшается величина плавления.
Таблица легкоплавких металлов и сплавов (до 600С о)
| Название элемента | Латинское обозначение | Температуры | |
| Плавления | Кипения | ||
| Олово | Sn | 232 С о | 2600 С о |
| Свинец | Pb | 327 С о | 1750 С о |
| Цинк | Zn | 420 С о | 907 С о |
| Калий | K | 63,6 С о | 759 С о |
| Натрий | Na | 97,8 С о | 883 С о |
| Ртуть | Hg | - 38,9 С о | 356.73 С о |
| Цезий | Cs | 28,4 С о | 667.5 С о |
| Висмут | Bi | 271,4 С о | 1564 С о |
| Палладий | Pd | 327,5 С о | 1749 С о |
| Полоний | Po | 254 С о | 962 С о |
| Кадмий | Cd | 321,07 С о | 767 С о |
| Рубидий | Rb | 39,3 С о | 688 С о |
| Галлий | Ga | 29,76 С о | 2204 С о |
| Индий | In | 156,6 С о | 2072 С о |
| Таллий | Tl | 304 С о | 1473 С о |
| Литий | Li | 18,05 С о | 1342 С о |
Таблица среднеплавких металлов и сплавов (от 600С о до 1600С о)
| Название элемента | Латинское обозначение | Температураы | |
| Плавления | Кипения | ||
| Алюминий | Al | 660 С о | 2519 С о |
| Германий | Ge | 937 С о | 2830 С о |
| Магний | Mg | 650 С о | 1100 С о |
| Серебро | Ag | 960 С о | 2180 С о |
| Золото | Au | 1063 С о | 2660 С о |
| Медь | Cu | 1083 С о | 2580 С о |
| Железо | Fe | 1539 С о | 2900 С о |
| Кремний | Si | 1415 С о | 2350 С о |
| Никель | Ni | 1455 С о | 2913 С о |
| Барий | Ba | 727 С о | 1897 С о |
| Бериллий | Be | 1287 С о | 2471 С о |
| Нептуний | Np | 644 С о | 3901,85 С о |
| Протактиний | Pa | 1572 С о | 4027 С о |
| Плутоний | Pu | 640 С о | 3228 С о |
| Актиний | Ac | 1051 С о | 3198 С о |
| Кальций | Ca | 842 С о | 1484 С о |
| Радий | Ra | 700 С о | 1736,85 С о |
| Кобальт | Co | 1495 С о | 2927 С о |
| Сурьма | Sb | 630,63 С о | 1587 С о |
| Стронций | Sr | 777 С о | 1382 С о |
| Уран | U | 1135 С о | 4131 С о |
| Марганец | Mn | 1246 С о | 2061 С о |
| Константин | 1260 С о | ||
| Дуралюмин | Сплав алюминия, магния, меди и марганца | 650 С о | |
| Инвар | Сплав никеля и железа | 1425 С о | |
| Латунь | Сплав меди и цинка | 1000 С о | |
| Нейзильбер | Сплав меди, цинка и никеля | 1100 С о | |
| Нихром | Сплав никеля, хрома, кремния, железа, марганца и алюминия | 1400 С о | |
| Сталь | Сплав железа и углерода | 1300 С о - 1500 С о | |
| Фехраль | Сплав хрома, железа, алюминия, марганца и кремния | 1460 С о | |
| Чугун | Сплав железа и углерода | 1100 С о - 1300 С о | |
При котором кристаллическая решетка металла разрушается и он переходит из твердого фазового состояния в жидкое.
Температура плавления металлов - показатель температуры нагреваемого металла, при достижении которой начинается процесс (плавления). Сам процесс обратный кристаллизации и неразрывно связан с ней. Для того чтобы расплавить металл? его необходимо нагреть, используя внешний источник тепла до температуры плавления, а затем продолжить подвод теплоты для преодоления энергии фазового перехода. Дело в том, что само значение температуры плавления металлов указывает на температуру, при которой материал будет находиться в фазовом равновесии, на границе между жидкостью и твердым телом. При такой температуре чистый металл может существовать одновременно как в твердом, так и в жидком состоянии. Для осуществления процесса плавления необходимо перегреть металл немного больше равновесной температуры, чтобы обеспечить положительный термодинамический потенциал. Дать своеобразный толчок процессу.
Температура плавления металлов постоянна только для чистых веществ. Наличие примесей будет смещать равновесный потенциал в ту или иную сторону. Это происходит потому, что металл с примесями формирует иную кристаллическую решетку, и силы взаимодействия атомов в них будут отличаться от тех, которые присутствуют в чистых материалах.В зависимости от величины температуры плавления, металлы делят на легкоплавкие (до 600°С, такие как галлий, ртуть) , среднеплавкие (600-1600°С, медь, алюминий) и тугоплавкие (>1600°С, вольфрам, молибден).
В современном мире чистые металлы используют редко в силу того, что они имеют ограниченный диапазон физических свойств. Промышленность давно и плотно использует различные комбинации металлов - сплавы, разновидностей и характеристик которых гораздо больше. Температура плавления металлов, входящих в состав различных сплавов, будет также отличаться от температуры плавления их сплава. Разные концентрации веществ обуславливают порядок их плавления или кристаллизации. Но существуют равновесные концентрации, при которых металлы, входящие в состав сплава, затвердевают или плавятся одновременно, то есть ведут себя как однородный материал. Такие сплавы называются эвтектическими.
Знать температуру плавления очень важно при работе с металлом, эта величина необходима как в производстве, для расчета параметров сплавов, так и при эксплуатации металлических изделий, когда температура фазового перехода материала, из которого изделие изготовлено, определяет ограничения при его использовании. Для удобства эти данные сведены в единую плавления металлов - сводный результат физических исследований характеристик различных металлов. Существуют также подобные таблицы и для сплавов. Температура плавления металлов также существенно зависит и от давления, поэтому данные таблицы актуальны для конкретного значения давления (обычно это нормальные условия, когда давление равно 101.325 кПа). Чем выше давление, тем выше температура плавления, и наоборот.
