Metallien fysikaaliset ominaisuudet. Metallien ja metalliseosten sulamispiste ja tiheys

Metallien sulamispiste, joka vaihtelee pienimmästä (-39 °C elohopealla) korkeimpaan (3400 °C volframille), sekä metallien tiheys kiinteässä tilassa 20 °C:ssa ja nesteen tiheys metallien sulamispisteessä, on annettu ei-rautametallien sulamistaulukossa .

Taulukko 1. Ei-rautametallien sulaminen

Ei-rautametallien hitsaus ja sulatus

Kuparin hitsaus . Cu-metallin sulamislämpötila on lähes kuusi kertaa korkeampi kuin teräksen sulamislämpötila, kupari imee ja liuottaa intensiivisesti erilaisia ​​kaasuja muodostaen oksideja hapen kanssa. Kuparioksidi II muodostaa kuparin kanssa eutektin, jonka sulamispiste (1064°C) on alempi kuin kuparin sulamispiste (1083°C). Kun nestemäinen kupari jähmettyy, eutektiikka sijaitsee raerajaa pitkin, mikä tekee kuparista hauraaksi ja alttiiksi halkeilemaan. Siksi kuparin hitsauksen päätehtävä on suojata sitä hapettumiselta ja hitsausaltaan aktiiviselta hapettumiselta.

Yleisin kuparin kaasuhitsaus asetyleenioksidiliekillä polttimilla, jotka ovat 1,5 ... 2 kertaa tehokkaampia kuin terästen hitsauspoltin. Täytemetalli on kuparisauvat, jotka sisältävät fosforia ja piitä. Jos tuotteiden paksuus on yli 5...6 mm, ne kuumennetaan ensin 250...300°C lämpötilaan. Suutteet hitsauksessa ovat paahdettua booraksia tai seosta, jossa on 70 % booraksia ja 30 % boorihappo. Vahvistaa mekaaniset ominaisuudet ja parantaa kerrostetun metallin rakennetta, kupari taotaan hitsauksen jälkeen lämpötilassa noin 200 ... 300 ° C. Sitten se kuumennetaan jälleen 500-550 °C:seen ja jäähdytetään vedessä. Kuparia hitsataan myös sähkökaarimenetelmällä elektrodeilla, suojakaasuvirrassa, vuokerroksen alla, kondensaattorikoneissa kitkamenetelmällä.

messingin hitsaus . Messinki on kuparin ja sinkin (jopa 50 %) seos. Pääasiallinen saastuminen tässä tapauksessa on sinkin haihtuminen, jonka seurauksena sauma menettää ominaisuutensa, siihen ilmestyy huokosia. Messinki, kuten kupari, on pääosin hitsattu asetyleenia hapettavalla liekillä, joka muodostaa tulenkestävän sinkkioksidikalvon kylvyn pintaan, mikä vähentää edelleen palamista ja sinkin haihtumista. Fluxeja käytetään samoin kuin kuparin hitsaukseen. Ne muodostavat kuonaa kylvyn pintaan, jotka sitovat sinkkioksideja ja vaikeuttavat höyryjen poistumista hitsausaltaista. Messinkiä hitsataan myös suojakaasuihin ja kosketuskoneisiin.

pronssin hitsaus . Useimmissa tapauksissa pronssi on valumateriaali, joten

hitsausta käytetään vikojen korjaamiseen tai korjausten yhteydessä. Yleisimmin käytetty metallipuikkohitsaus. Täytemetalli on tankoja, joiden koostumus on sama kuin perusmetallin, ja sulatteet tai elektrodipinnoite ovat kaliumin ja natriumin kloridi- ja fluoriyhdisteitä.

. Tärkeimmät alumiinin hitsaamista haittaavat tekijät ovat sen alhainen sulamispiste (658°C), korkea lämmönjohtavuus (noin 3 kertaa korkeampi kuin teräksen lämmönjohtavuus), tulenkestävien alumiinioksidien muodostuminen, joiden sulamispiste on 2050°. C, joten ei-rautametallien sulatustekniikka , kuten kupari tai pronssi ei sovellu alumiinin sulatukseen. Lisäksi nämä oksidit reagoivat huonosti sekä happamien että emäksisten juoksutteiden kanssa, joten ne poistuvat huonosti hitsistä.

Yleisimmin käytetty kaasuhitsauksessa alumiinisetyleeniliekki. AT viime vuodet Myös upokaari- ja argonpohjainen automaattinen kaarihitsaus metallielektrodeilla on yleistynyt. Kaikissa hitsausmenetelmissä, paitsi argonkaari, käytetään sulatteita tai elektrodipinnoitteita, jotka sisältävät litiumin, kaliumin, natriumin ja muiden alkuaineiden fluori- ja kloridiyhdisteitä. Täytemetallina kaikissa hitsausmenetelmissä käytetään lankaa tai tankoja, joiden koostumus on sama kuin perusmetalli.

Alumiini hitsataan hyvin elektronisuihkulla tyhjiössä, kosketuskoneilla, sähkökuonalla ja muilla menetelmillä.

Alumiiniseoksen hitsaus . Alumiiniseokset magnesiumin ja sinkin kanssa hitsataan ilman

erityisiä komplikaatioita sekä alumiinia. Poikkeuksena on duralumiini - alumiiniseokset kuparin kanssa. Nämä seokset kovetetaan termisesti karkaisun ja myöhemmän vanhentamisen jälkeen. Kun ei-rautametallien sulamislämpötila on yli 350°C, niissä tapahtuu lujuuden laskua, jota ei lämpökäsittelyllä palauteta. Siksi hitsattaessa duralumiinia lämpövaikutusalueella lujuus laskee 40 ... 50%. Jos duraluminia hitsataan suojakaasuihin, tällainen lasku voidaan palauttaa lämpökäsittelyllä jopa 80 ... 90% perusmetallin lujuuteen nähden.

Magnesiumseosten hitsaus . Kaasuhitsauksessa käytetään välttämättä fluoridiusteita, jotka, toisin kuin kloridijuotteet, eivät aiheuta hitsausliitosten korroosiota. Magnesiumseosten kaarihitsausta metallielektrodilla hitsien huonon laadun kautta ei ole vielä käytetty. Magnesiumseoksia hitsattaessa havaitaan merkittävää rakeiden kasvua lähellä hitsauskohteita ja vahvaa kehitystä pylväsmäisiä kiteitä hitsauksessa. Siksi hitsausliitosten vetolujuus on 55 ... 60% perusmetallin vetolujuudesta.

Taulukko 2. Teollisuuden ei-rautametallien fysikaaliset ominaisuudet

Upokkaan sulaminen

Olennainen osa metallien ja metallituotteiden tuotantoa on käyttö aikana tuotantoprosessi upokkaat sekä rauta- että ei-rautametallien tuotantoon, sulatukseen ja uudelleensulatukseen. Upokkaat ovat olennainen osa metallurgisia laitteita erilaisten metallien, metalliseosten ja vastaavien valamiseen.

Keraaminen upokas ei-rautametallien sulattamiseen on käytetty metallien (kuparin, pronssin) sulattamiseen muinaisista ajoista lähtien.

Kiteyttämisen jälkeen on varmistettava, että aine on riittävän puhdasta. Yksinkertaisin ja tehokkain tapa tunnistaa ja määrittää aineen puhtausmitta on määrittää sen sulamispiste ( T pl). Sulamispiste on lämpötila-alue, jossa kiinteä aine muuttuu nestemäiseksi. Kaikilla puhtailla kemiallisilla yhdisteillä on kapea siirtymälämpötila-alue kiinteästä nestemäiseksi. Tämä puhtaiden aineiden lämpötilaväli on enintään 1-2 o C. Sulamispisteen käyttö aineen puhtauden mittana perustuu siihen, että epäpuhtauksien läsnäolo (1) alentaa sulamispistettä ja ( 2) laajentaa sulamislämpötila-aluetta. Esimerkiksi puhdas bentsoehapon näyte sulaa välillä 120–122 °C, kun taas lievästi saastunut näyte sulaa 114–119 °C:ssa.

Sulamispisteen käyttö tunnistamisessa on luonnollisesti suuren epävarmuuden alainen, koska orgaanisia yhdisteitä on useita miljoonia, ja väistämättä monien sulamispisteet ovat samat. Ensinnäkin kuitenkin T synteesissä saadun aineen mp eroaa lähes aina T pl lähtöyhdisteet. Toiseksi voidaan käyttää tekniikkaa "sekanäytteen sulamispisteen määrittämiseksi". Jos T mp seoksesta, jossa on yhtä paljon tutkittavaa ainetta ja tunnettua näytettä, ei eroa T pl jälkimmäisestä, niin molemmat näytteet ovat samaa ainetta.

MENETELMÄ SULATUSLÄMPÖTILAN MÄÄRITTÄMISEKSI. Trituroi testiaine perusteellisesti hienoksi jauheeksi. Kapillaari täytetään aineella (3–5 mm korkeudella; kapillaarin tulee olla ohutseinämäinen, yhdeltä puolelta tiivis, sisähalkaisija 0,8–1 mm ja korkeus 3–4 cm). Paina tätä varten kapillaari avoimella päällään varovasti ainejauheeseen ja lyö sen tiivistettyä päätä ajoittain pöydän pintaa vasten 5–10 kertaa. Jauheen siirtämiseksi kokonaan kapillaarin suljettuun päähän se heitetään pystysuoraan lasiputkeen (pituus 30–40 cm ja halkaisija 0,5–1 cm) kovalle pinnalle. Aseta kapillaari lämpömittarin nokkaan kiinnitettyyn metallikasettiin (kuva 3.5) ja aseta lämpömittari kasetilla sulamispisteen määrityslaitteeseen.

Laitteessa kapillaareilla varustettua lämpömittaria lämmitetään sähkökäämillä, jonka jännite syötetään muuntajan kautta, ja lämmitysnopeus määräytyy käytetyn jännitteen mukaan. Ensin laitetta lämmitetään nopeudella 4–6 ° C minuutissa ja 10 ° C ennen odotettua T pl kuumennetaan nopeudella 1–2 o C minuutissa. Sulamislämpötila on aikaväli kiteiden pehmenemisestä (aineen kostuminen) niiden täydelliseen sulamiseen.

Saadut tiedot kirjataan laboratoriopäiväkirjaan.

1. Tislaus

Tislaus on tärkeä ja laajalti käytetty menetelmä orgaanisten nesteiden puhdistamiseen ja nesteseosten erottamiseen. Tämä menetelmä koostuu nesteen keittämisestä ja haihduttamisesta ja sitten höyryjen kondensoimisesta tisleeksi. Kahden nesteen, joiden kiehumispisteero on 50–70 °C tai enemmän, erottaminen voidaan suorittaa yksinkertaisella tislauksella. Jos ero on pienempi, jakotislausta on käytettävä kehittyneemmässä laitteessa. Jotkut nesteet, joilla on korkea kiehumispiste, hajoavat tislauksen aikana. Kuitenkin, kun painetta alennetaan, kiehumispiste laskee, mikä mahdollistaa korkealla kiehuvien nesteiden tislauksen hajoamatta tyhjiössä.

Tällöin metallin kidehila tuhoutuu ja se siirtyy kiinteästä tilasta nestemäiseen tilaan.

Metallien sulamispiste on kuumennetun metallin lämpötilan indikaattori, jonka saavuttaessa prosessi (sulaminen) alkaa. Itse prosessi on kiteytymisen käänteinen ja liittyy siihen erottamattomasti. sulattaa metallia? on lämmitettävä käyttämällä ulkoinen lähde lämmitä sulamispisteeseen ja jatka sitten lämmön syöttöä faasimuutosenergian voittamiseksi. Tosiasia on, että metallien sulamispisteen arvo osoittaa lämpötilan, jossa materiaali on faasitasapainossa nesteen ja kiinteän aineen rajalla. Tässä lämpötilassa puhdas metalli voi esiintyä samanaikaisesti sekä kiinteässä että nestemäisessä tilassa. Sulamisprosessin suorittamiseksi on välttämätöntä ylikuumentaa metalli hieman yli tasapainolämpötilan, jotta saadaan aikaan positiivinen termodynaaminen potentiaali. Anna prosessille vauhtia.

Metallien sulamispiste on vakio vain puhtaille aineille. Epäpuhtauksien läsnäolo siirtää tasapainopotentiaalia suuntaan tai toiseen. Tämä johtuu siitä, että metalli epäpuhtauksien kanssa muodostaa erilaisen kidehilan ja niissä olevien atomien vuorovaikutusvoimat eroavat puhtaiden materiaalien vuorovaikutusvoimasta. Sulamispisteestä riippuen metallit jaetaan sulaviin (600 °C asti, esim. gallium, elohopea), keskisulava (600-1600°С, kupari, alumiini) ja tulenkestävä (>1600°С, volframi, molybdeeni).

AT moderni maailma puhtaita metalleja käytetään harvoin, koska niiden valikoima on rajoitettu fyysiset ominaisuudet. Teollisuus on ollut pitkään ja tiheässä käytössä erilaisia ​​yhdistelmiä metallit - seokset, joiden lajikkeet ja ominaisuudet ovat paljon suurempia. Eri metalliseokset muodostavien metallien sulamispiste eroaa myös niiden metalliseoksen sulamispisteestä. Aineiden eri pitoisuudet määräävät niiden sulamis- tai kiteytymisjärjestyksen. Mutta on olemassa tasapainopitoisuuksia, joissa metalliseoksen muodostavat metallit kiinteytyvät tai sulavat samanaikaisesti, eli ne käyttäytyvät homogeenisena materiaalina. Tällaisia ​​seoksia kutsutaan eutektisiksi.

Sulamislämpötilan tunteminen on erittäin tärkeää metallin kanssa työskenneltäessä, tämä arvo on välttämätön sekä tuotannossa, metalliseosten parametrien laskennassa että metallituotteiden käytössä, kun tuotteen valmistusmateriaalin faasimuutoslämpötila määrää. sen käytön rajoituksia. Mukavuuden vuoksi nämä tiedot on koottu yhteen metallien sulatukseen - yhteenvetotulos fyysinen tutkimus eri metallien ominaisuudet. Vastaavia taulukoita on myös metalliseoksille. Metallien sulamispiste riippuu myös merkittävästi paineesta, joten taulukon tiedot ovat merkityksellisiä tietylle painearvolle (yleensä tämä normaaleissa olosuhteissa kun paine on 101,325 kPa). Mitä korkeampi paine, sitä korkeampi sulamispiste ja päinvastoin.

Metallurgisessa teollisuudessa yksi pääalueista on metallien ja niiden seosten valu johtuen prosessin halvuudesta ja suhteellisen yksinkertaisuudesta. Voidaan valaa muotit, joilla on eri kokoisia ääriviivoja, pienistä suuriin; se soveltuu sekä massatuotantoon että räätälöityyn tuotantoon.

Valu on yksi vanhimmista metallien työskentelyalueista, ja se alkaa noin pronssikaudelta: 7-3 vuosituhatta eKr. e. Sen jälkeen on löydetty monia materiaaleja, jotka ovat johtaneet tekniikan kehitykseen ja lisääntyneisiin vaatimuksiin valimoteollisuudelle.

Nykyään on olemassa monia valusuuntia ja -tyyppejä, jotka eroavat toisistaan tekninen prosessi. Yksi asia pysyy ennallaan - metallien fyysinen ominaisuus muuttua kiinteästä nesteeksi, ja on tärkeää tietää missä lämpötilassa sulaminen alkaa eri tyyppejä metallit ja niiden seokset.

metallin sulatusprosessi

Tämä prosessi viittaa aineen siirtymiseen kiinteästä tilasta nestemäiseen. Kun sulamispiste saavutetaan, metalli voi olla sekä kiinteässä että nestemäisessä tilassa, lisäkasvu johtaa materiaalin täydelliseen muuttumiseen nesteeksi.

Sama tapahtuu jähmettymisen aikana - kun sulamisraja saavutetaan, aine alkaa siirtyä nestemäisestä tilasta kiinteään tilaan, ja lämpötila ei muutu ennen täydellistä kiteytymistä.

Samalla on syytä muistaa, että tämä sääntö koskee vain metallia. Seoksilla ei ole selkeää lämpötilarajaa ja ne tekevät tilojen siirtymisen tietyllä alueella:

1. Solidus - lämpötilaviiva, jossa lejeeringin sulavin komponentti alkaa sulaa.
2. Liquidus on kaikkien komponenttien lopullinen sulamispiste, jonka alapuolella lejeeringin ensimmäiset kiteet alkavat ilmaantua.

Tällaisten aineiden sulamispistettä on mahdotonta mitata tarkasti, tilojen siirtymäpiste osoittaa numeerisen välin.

Riippuen lämpötilasta, jossa metallien sulaminen alkaa, ne jaetaan yleensä:

• Sulattava, jopa 600 °C. Näitä ovat sinkki, lyijy ja muut.
• Keskisulava, jopa 1600 °C. Yleisimmät seokset ja metallit, kuten kulta, hopea, kupari, rauta, alumiini.
• Tulenkestävä, yli 1600 °C. Titaani, molybdeeni, volframi, kromi.

On myös kiehumispiste - piste, jossa sula metalli alkaa siirtyä kaasumaiseen tilaan. Tämä on erittäin lämpöä, tyypillisesti 2 kertaa sulamispiste.

Paineen vaikutus

Sulamislämpötila ja sitä vastaava jähmettymislämpötila riippuvat paineesta ja kasvavat sen noustessa. Tämä johtuu siitä, että paineen kasvaessa atomit lähestyvät toisiaan, ja kidehilan tuhoamiseksi ne on siirrettävä pois. klo korkea verenpaine lämpöliikkeen energiaa tarvitaan enemmän ja sitä vastaava sulamislämpötila nousee.

On poikkeuksia, kun nestemäiseen tilaan siirtymiseen vaadittava lämpötila laskee paineen noustessa. Tällaisia ​​aineita ovat jää, vismutti, germanium ja antimoni.

Sulamispistetaulukko

Jokaisen terästeollisuudessa työskentelevän, olipa kyseessä hitsaaja, valimotyöntekijä, sulattaja tai jalokivikauppias, on tärkeää tietää, missä lämpötilassa materiaalit, joiden kanssa he työskentelevät, sulavat. Alla olevassa taulukossa on lueteltu yleisimpien aineiden sulamispisteet.

Taulukko metallien ja metalliseosten sulamispisteistä

Sulatuspöydän lisäksi on monia muita apuaineita. Esimerkiksi vastaus kysymykseen, mikä on raudan kiehumispiste, löytyy kiehuvien aineiden taulukosta. Metalleilla on kiehumisen lisäksi useita muita fysikaalisia ominaisuuksia, kuten lujuus.

Sen lisäksi, että se pystyy siirtymään kiinteästä tilasta nestemäiseen, yksi tärkeitä ominaisuuksia materiaali on sen vahvuus - mahdollisuus kiinteä runko kestävyys murtumia ja peruuttamattomia muodonmuutoksia vastaan. Pääasiallisena lujuuden indikaattorina pidetään esihehkutetun työkappaleen murtumisesta johtuvaa vastusta. Lujuuden käsite ei koske elohopeaa, koska se on nestemäisessä tilassa. Vahvuuden nimitys hyväksytään MPa - Mega Pascals.

Olla olemassa seuraavat ryhmät metallin lujuus:

• Hauras. Niiden vastus ei ylitä 50 MPa. Näitä ovat tina, lyijy, pehmeät alkalimetallit
• Kestävä, 50-500 MPa. Kupari, alumiini, rauta, titaani. Tämän ryhmän materiaalit ovat monien rakenteellisten metalliseosten perusta.
• Erittäin luja, yli 500 MPa. Esimerkiksi molybdeeni ja.

Metallinen vahvuuspöytä

Yleisimmät seokset jokapäiväisessä elämässä

Kuten taulukosta näkyy, elementtien sulamispisteet vaihtelevat suuresti jopa jokapäiväisessä elämässä usein esiintyvillä materiaaleilla.

Niin, minimilämpötila Elohopean sulamispiste on -38,9 °C, joten huoneenlämmössä se on jo nestemäisessä tilassa. Tämä selittää sen tosiasian, että kotitalouksien lämpömittareiden alempi merkki on -39 celsiusastetta: tämän indikaattorin alapuolella elohopea muuttuu kiinteäksi.

Yleisimmin käytetyt juotokset kotikäyttö, joiden koostumuksessa on merkittävä prosenttiosuus tinapitoisuudesta, jonka sulamispiste on 231,9 °C, joten suurin osa juotos sulaa juotosraudan käyttölämpötilassa 250-400°C.

Lisäksi on alhaalla sulavia juotteita, joiden sulamisraja on alempi, jopa 30 ° C, ja niitä käytetään, kun juotettujen materiaalien ylikuumeneminen on vaarallista. Näitä tarkoituksia varten on vismuttijuotteita, ja näiden materiaalien sulamislämpötila on 29,7 - 120 ° C.

Hiilipitoisten materiaalien sulamislämpötila on seosainekomponenteista riippuen 1100-1500 °C.

Metallien ja niiden seosten sulamispisteet ovat erittäin laajalla lämpötila-alueella, alkaen hyvin matalat lämpötilat(elohopea) useiden tuhansien asteiden rajaan. Näiden indikaattoreiden sekä muiden fysikaalisten ominaisuuksien tuntemus on erittäin tärkeää metallurgian alalla työskenteleville ihmisille. Esimerkiksi kulta- ja muiden metallien sulamislämpötilan tietäminen on hyödyllistä jalokivikauppiaille, pyöräilijöille ja sulattoille.

Jokaisella metallilla ja lejeeringillä on oma ainutlaatuinen joukko fyysisiä ja kemialliset ominaisuudet, josta ei vähäisimpänä on sulamispiste. Itse prosessi tarkoittaa kehon siirtymistä yhdestä aggregaatiotilasta toiseen, tässä tapauksessa kiinteästä kiteisestä tilasta nestemäiseen. Metallin sulattamiseksi siihen on syötettävä lämpöä, kunnes sulamispiste saavutetaan. Sen kanssa se voi silti pysyä kiinteässä tilassa, mutta lisäaltistuksen ja lämmön lisääntymisen myötä metalli alkaa sulaa. Jos lämpötilaa lasketaan, eli osa lämmöstä poistetaan, elementti kovettuu.

Metallien korkein sulamispiste kuuluu volframiin: se on 3422C o, alhaisin on elohopealla: alkuaine sulaa jo -39C o:ssa. Yleensä seoksille ei ole mahdollista määrittää tarkkaa arvoa: se voi vaihdella merkittävästi komponenttien prosenttiosuuden mukaan. Ne kirjoitetaan yleensä numerovälinä.

Miten se tapahtuu?

Kaikkien metallien sulaminen tapahtuu suunnilleen samalla tavalla - ulkoisen tai sisäisen lämmityksen avulla. Ensimmäinen suoritetaan lämpöuunissa, toisessa käytetään resistiivistä lämmitystä ohittaessa sähkövirta tai induktiokuumennus korkeataajuisessa sähkömagneettisessa kentässä. Molemmat vaihtoehdot vaikuttavat metalliin suunnilleen samalla tavalla.

Kun lämpötila nousee, niin myös se nousee molekyylien lämpövärähtelyjen amplitudi, ilmaantuu rakenteellisia hilavirheitä, jotka ilmenevät dislokaatioiden kasvuna, atomien hyppimisenä ja muina häiriöinä. Tähän liittyy atomien välisten sidosten katkeaminen ja se vaatii tietyn määrän energiaa. Samalla kehon pinnalle muodostuu lähes nestemäinen kerros. Hilan tuhoutumisaikaa ja vikojen kertymistä kutsutaan sulamiseksi.

Sulamispisteestä riippuen metallit jaetaan:

Riippuen sulamispisteestä valitse ja sulatuslaite. Mitä korkeampi pistemäärä, sitä vahvempi sen pitäisi olla. Löydät tarvitsemasi elementin lämpötilan taulukosta.

Toinen tärkeä arvo on kiehumispiste. Tämä on arvo, jolla nesteiden kiehumisprosessi alkaa, se vastaa lämpötilaa kylläistä höyryä, joka muodostuu kiehuvan nesteen tasaisen pinnan yläpuolelle. Yleensä se on lähes kaksi kertaa korkeampi kuin sulamispiste.

Molemmat arvot annetaan yleensä arvossa normaali paine. Keskuudessaan he suoraan verrannollinen.

1. Paine kasvaa - sulamisen määrä kasvaa.
2. Paine laskee - sulamisen määrä vähenee.

Sulavien metallien ja metalliseosten taulukko (600C o asti)

Taulukko keskisulamisasteista metalleja ja metalliseoksia (600С o - 1600 o)