Железо: химические свойства и температура плавления

Металлы плавятся, как правило, при очень высокой температуре, которая может достигать более 3 тыс. градусов. Хотя некоторые из них можно расплавить в домашних условиях, например, свинец или олово. А вот ртуть плавят при температуре минус 39 градусов. В домашних условиях этого добиться не удастся. Температура плавления — это один из важных показателей производства не только самого металла, но и его сплавов. Выплавляя сырье, специалисты учитывают и другие физические и химические свойства руды и металла.

Железо и его свойства

Железо — это химический элемент, который в таблице Менделеева находится под номером 26. Это один из самых распространенных элементов во всей Солнечной системе. Согласно материалам исследований, в составе ядра Земли находится примерно 79−85% этого вещества. В земной коре его тоже присутствует большое количество, но оно уступает алюминию.

В чистом виде металл имеет белый цвет с чуть серебристым оттенком. Он пластичен, но имеющиеся в нем примеси могут определять его физические свойства. Реагирует на магнит.

Железо присутствует в воде. В речных водах его концентрация равна примерно 2 мг/л металла. В морской воде его содержание может быть ниже в сто или даже тысячу раз.

Оксид железа — это основная форма, добыча которой осуществляется и которая находится в природе. Оксидное железо может располагаться в самой верхней части земной коры и быть составляющей осадочных образований.

Элемент, находящийся на двадцать шестом месте в таблице Менделеева, может иметь несколько степеней окисления. Именно они определяют его геохимическую особенность нахождения в определенной среде. В ядре Земли металл присутствует в нейтральной форме.

Прочность металлов

Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.

Существуют следующие группы прочности металлов:

• Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
• Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
• Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и вольфрам.

Таблица прочности металлов

Наиболее распространенные в быту сплавы

Как видно из таблицы, точки плавления элементов сильно разнятся даже у часто встречающихся в быту материалов.

Так, минимальная температура плавления у ртути -38,9 °C, поэтому в условиях комнатной температуры она уже в жидком состоянии. Именно этим объясняется то, что бытовые термометры имеют нижнюю отметку в -39 градусов Цельсия: ниже этого показателя ртуть переходит в твердое состояние.

Припои, наиболее распространенные в бытовом применении, имеют в своем составе значительный процент содержания олова, имеющего точку плавления 231.9 °C, поэтому большая часть припоев плавится при рабочей температуре паяльника 250−400°C.

Помимо этого, существуют легкоплавкие припои с более низкой границей расплава, до 30 °C и применяются тогда, когда опасен перегрев спаиваемых материалов. Для этих целей существуют припои с висмутом, и плавка данных материалов лежит в интервале от 29,7 — 120 °C.

Расплавление высокоуглеродистых материалов в зависимости от легирующих компонентов лежит в границах от 1100 до 1500 °C.

Точки плавления металлов и их сплавов находятся в очень широком температурном диапазоне, от очень низких температур (ртуть) до границы в несколько тысяч градусов. Знание этих показателей, а так же других физических свойств очень важно для людей, которые работают в металлургической сфере. Например, знание того, при какой температуре плавится золото и другие металлы пригодятся ювелирам, литейщикам и плавильщикам.

Металлы плавятся, как правило, при очень высокой температуре, которая может достигать более 3 тыс. градусов. Хотя некоторые из них можно расплавить в домашних условиях, например, свинец или олово. А вот ртуть плавят при температуре минус 39 градусов. В домашних условиях этого добиться не удастся. Температура плавления — это один из важных показателей производства не только самого металла, но и его сплавов. Выплавляя сырье, специалисты учитывают и другие физические и химические свойства руды и металла.

Читать также: Что можно выплавить из алюминия

Добыча полезных ископаемых

Руд, в которых присутствует железо, существует несколько. Однако, в качестве сырья для производства железа в промышленности используют в основном следующие:

• магнезитовую руду;
• гетитовую руду;
• гематитовую руду.

А также часто встречаются такие разновидности руды:

• леллингит;
• сидерит;
• марказит;
• ильменит;
• ярозит.

Существует еще минерал под названием мелантерит. Его используют преимущественно в фармацевтической промышленности. Из себя он представляет зелёного цвета хрупкие кристаллы, в которых присутствует стеклянный блеск. Из него производят лекарственные препараты, в составе которых имеется ферум.

Основным месторождением этого металла является Южная Америка, а именно Бразилия.

Таблица температур плавления

Плавление железа и необходимая температура

Точкой плавления металла называют такую минимальную температуру, при которой он переходит из твердого состояния в жидкое. При этом в объеме он практически остается неизменным.

Металл могут производить из руды различными способами, но самый основной из них — это доменный. Помимо доменного, используют еще выплавку железа при помощи обжига измельченной руды с примесью глины. Из полученной смеси формируют окатыши, которые обрабатываются в печи с последующим восстановлением водородом. Далее плавление железа осуществляется в электрической печи.

Температура плавления железа весьма высока. Для технически чистого элемента она составляет +1539 °C. В этом веществе присутствует примесь — Сера, которую можно извлечь лишь в жидком виде. Без примесей чистый материал получают при электролизе солей металла.

ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Необходимо отметить, что при растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение Fо образца остается неизменным.

Предел текучести (σт) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / Fo). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (σ0.2) — напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

К характеристикам материала относят также предел упругости (σпр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).

Предел пропорциональности σпц = Рпц / Fo (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).

Пластичность характеризуется относительным удлинением (δ) и относительным сужением (ψ):

δ = [(lk — lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,

где lk — конечная длина образца; lo и Fo — начальные длина и площадь поперечного сечения образца; Fk — площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.

2. Испытание на твердость

Нормативные документы:

· ГОСТ 8.062—85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»

· ГЭТ 33—85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»

Твердость

– способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора ид р. (рис.2).

Рис. 2. Схемы определения твердости по Бринеллю(а), Роквеллу(б) и Виккерсу(в)

Твердость металла по Бринеллю

указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 • 106, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ • К, Па.

Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.

Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости НВ: σв ≈ 3,4 НВ — для горячекатаных углеродистых сталей; σв ≈ 4,5 НВ — для медных сплавов, σв ≈ 3,5НВ — для алюминиевых сплавов.

Определение твердости методом Роквелла

осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах.

При измерении твердости по методу Виккерса

производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ производится аналогично переводу числа твердости НВ.

При измерении твердости по методу Шора

шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера

— твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

3. Испытание на ударную вязкость

Ударная вязкость

характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3). По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м2.

Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным надрезом, KCV — с V-подобным надрезом, а KCT — с трещиной, созданной в основании надреза. Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу зарождения трещины (Аз) и работу распространения трещины (Ар).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.

4. Испытание на усталость

Усталость

– процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.

Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения.

Предел выносливости обозначается σR, где R — коэффициент асимметрии цикла.

Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое число циклов должно быть не ниже 107 нагружений (для стали) и 108 (для цветных металлов).

Плавление и кристаллизации вещества являются фазовым переходом первого рода и для чистых веществ плавление характеризуется определенной температурой, являющейся константой данного вещества.

Все металлы находятся в твердом состоянии до определен­ной температуры. Это значит, что до определенной температуры металл сохраняет свою кристаллическую структуру (решетку), в которой атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают колебательные движения с определенной амплиту­дой и частотой порядка 1013 периодов в секунду. При нагреве ам­плитуда перемещения атомов в узлах кристаллических решеток увеличивается и, наконец, достигает такого значения, при кото­ром силы взаимодействия между атомами не обеспечивают их взаимного положения в решетке, и она разрушается. Этот мо­мент и называют плавлением, и вещество переходит в жидкое со­стояние.

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.

Образование новых кристаллов в твер­дом кристаллическом теле называется
вторичной кристаллизацией.
Кристаллы могут как самопроизвольно зарождаться — гомоген­ная кристаллизация, так и расти на уже существующих центрах кристаллизации — гетерогенная кристаллизация.

Плавление

— процесс, обратный кристаллизации, — протекает при температуре выше равновесной температуры
Тп,
т.е. при пе­регреве. Разность реальной температуры кристаллизации и темпе­ратуры плавления называется
температурным гистерезисом.
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью , показаны на рисунке

Рисунок 1 – Кривые охлаждения металла

при кристаллизации ( 1< 2< 3)

Температура жидкого металла при охлаждении уменьшается плавно. При достижении реальных температур кристаллизации (ГьТъ Тъ)

на кривых охлаждения появ­ляются горизонтальные площадки, так как отвод теплоты в окру­жающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации температура за­кристаллизовавшегося металла опять плавно понижается до окон­чательного затвердевания и охлаждения. При медленном охлажде­нии со скоростью
v\
степень переохлаждения А Г, мала и кристал­лизация протекает при температуре, близкой к равновесной. С увеличением скоростей охлаждения кристаллизация протекает при более низких, чем в случае с
vb
температурах, при этом сте­пень переохлаждения возрастает.

Процесс роста кристалла заключается в присоединении к его зародышу все новых атомов металла из жидкой фазы. Момент равновесной температуры кри­сталлизации (Гп), когда равновероятно существование металла как в жидком, так и в твердом состояниях, т.е. число зародышей и скорость их роста равны нулю, и кристаллизация не происходит.

Полиморфные превращения. Данные превращения имеют место при вторичной кристаллизации, когда новые кристаллы образу­ются из твердой фазы. Полиморфизм

— способность твердого металла при разных тем­пературах или давлениях иметь две или несколько кристалличес­ких структур, которые называются аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию обыч­но обозначают буквой а, а высокотемпературные — соответственно буквами р\ у и т.д.

Железо имеет четыре полиморфные модифика­ции: α-Fe, p-Fe, γ-Fe и 5-Fe. Практическое значение имеют модифи­кации α -Fe и γ -Fe. Переход железа из одной модификации в другую происходит при определенных критических температурах. Модифи­кация α -Fe имеет кубическую объемно-центрированную кристалли­ческую решетку, γ -Fe — кубическую гранецентрированную кристал­лическую решетку. Переход железа из одной аллотропической формы в другую схематически показан на кривой охлаждения (рис. 19.6). В процессе охлаждения расплавленного железа при тем­пературе 1535°С образуется площадка, характеризующая формиро­вание кристаллической модификации 5-Fe; при температуре 1392°С происходит полиморфная модификация б-Fe в модификацию γ -Fe, которая при температуре 898°С переходит в модифика­цию P-Fe; при температуре 768°С модифи­кация P-Fe переходит в модификацию α -Fe. Изучение этих четырех форм сущест­вования кристаллического железа показа­ло, что в модификации γ -Fe имеется межа­томное расстояние в кристаллической решетке, меньшее, чем в модификации p-Fe, и поэтому переход γ -Fe в P-Fe сопро­вождается увеличением объема кристалла. Отмечено, что модификация α -Fe облада­ет магнитными свойствами (ферромаг-нит), тогда как модификация (З-Fe этими свойствами почти не обладает, хотя крис­таллические решетки их сходны между собой.

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Необходимо отметить, что при растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение Fо образца остается неизменным.

Предел текучести (σт) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / Fo). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (σ0.2) — напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

К характеристикам материала относят также предел упругости (σпр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).

Предел пропорциональности σпц = Рпц / Fo (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).

Пластичность характеризуется относительным удлинением (δ) и относительным сужением (ψ):

δ = [(lk — lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,

где lk — конечная длина образца; lo и Fo — начальные длина и площадь поперечного сечения образца; Fk — площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.

2. Испытание на твердость

Нормативные документы:

· ГОСТ 8.062—85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»

· ГЭТ 33—85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»

Твердость

– способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора ид р. (рис.2).

Рис. 2. Схемы определения твердости по Бринеллю(а), Роквеллу(б) и Виккерсу(в)

Твердость металла по Бринеллю

указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 • 106, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ • К, Па.

Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.

Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости НВ: σв ≈ 3,4 НВ — для горячекатаных углеродистых сталей; σв ≈ 4,5 НВ — для медных сплавов, σв ≈ 3,5НВ — для алюминиевых сплавов.

Определение твердости методом Роквелла

осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах.

При измерении твердости по методу Виккерса

производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ производится аналогично переводу числа твердости НВ.

При измерении твердости по методу Шора

шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера

— твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

3. Испытание на ударную вязкость

Ударная вязкость

характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3). По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м2.

Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным надрезом, KCV — с V-подобным надрезом, а KCT — с трещиной, созданной в основании надреза. Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу зарождения трещины (Аз) и работу распространения трещины (Ар).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.

4. Испытание на усталость

Усталость

– процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.

Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения.

Предел выносливости обозначается σR, где R — коэффициент асимметрии цикла.

Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое число циклов должно быть не ниже 107 нагружений (для стали) и 108 (для цветных металлов).

Плавление и кристаллизации вещества являются фазовым переходом первого рода и для чистых веществ плавление характеризуется определенной температурой, являющейся константой данного вещества.

Все металлы находятся в твердом состоянии до определен­ной температуры. Это значит, что до определенной температуры металл сохраняет свою кристаллическую структуру (решетку), в которой атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают колебательные движения с определенной амплиту­дой и частотой порядка 1013 периодов в секунду. При нагреве ам­плитуда перемещения атомов в узлах кристаллических решеток увеличивается и, наконец, достигает такого значения, при кото­ром силы взаимодействия между атомами не обеспечивают их взаимного положения в решетке, и она разрушается. Этот мо­мент и называют плавлением, и вещество переходит в жидкое со­стояние.

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.

Образование новых кристаллов в твер­дом кристаллическом теле называется
вторичной кристаллизацией.
Кристаллы могут как самопроизвольно зарождаться — гомоген­ная кристаллизация, так и расти на уже существующих центрах кристаллизации — гетерогенная кристаллизация.

Плавление

— процесс, обратный кристаллизации, — протекает при температуре выше равновесной температуры
Тп,
т.е. при пе­регреве. Разность реальной температуры кристаллизации и темпе­ратуры плавления называется
температурным гистерезисом.
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью , показаны на рисунке

Рисунок 1 – Кривые охлаждения металла

при кристаллизации ( 1< 2< 3)

Температура жидкого металла при охлаждении уменьшается плавно. При достижении реальных температур кристаллизации (ГьТъ Тъ)

на кривых охлаждения появ­ляются горизонтальные площадки, так как отвод теплоты в окру­жающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации температура за­кристаллизовавшегося металла опять плавно понижается до окон­чательного затвердевания и охлаждения. При медленном охлажде­нии со скоростью
v\
степень переохлаждения А Г, мала и кристал­лизация протекает при температуре, близкой к равновесной. С увеличением скоростей охлаждения кристаллизация протекает при более низких, чем в случае с
vb
температурах, при этом сте­пень переохлаждения возрастает.

Процесс роста кристалла заключается в присоединении к его зародышу все новых атомов металла из жидкой фазы. Момент равновесной температуры кри­сталлизации (Гп), когда равновероятно существование металла как в жидком, так и в твердом состояниях, т.е. число зародышей и скорость их роста равны нулю, и кристаллизация не происходит.

Полиморфные превращения. Данные превращения имеют место при вторичной кристаллизации, когда новые кристаллы образу­ются из твердой фазы. Полиморфизм

— способность твердого металла при разных тем­пературах или давлениях иметь две или несколько кристалличес­ких структур, которые называются аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию обыч­но обозначают буквой а, а высокотемпературные — соответственно буквами р\ у и т.д.

Железо имеет четыре полиморфные модифика­ции: α-Fe, p-Fe, γ-Fe и 5-Fe. Практическое значение имеют модифи­кации α -Fe и γ -Fe. Переход железа из одной модификации в другую происходит при определенных критических температурах. Модифи­кация α -Fe имеет кубическую объемно-центрированную кристалли­ческую решетку, γ -Fe — кубическую гранецентрированную кристал­лическую решетку. Переход железа из одной аллотропической формы в другую схематически показан на кривой охлаждения (рис. 19.6). В процессе охлаждения расплавленного железа при тем­пературе 1535°С образуется площадка, характеризующая формиро­вание кристаллической модификации 5-Fe; при температуре 1392°С происходит полиморфная модификация б-Fe в модификацию γ -Fe, которая при температуре 898°С переходит в модифика­цию P-Fe; при температуре 768°С модифи­кация P-Fe переходит в модификацию α -Fe. Изучение этих четырех форм сущест­вования кристаллического железа показа­ло, что в модификации γ -Fe имеется межа­томное расстояние в кристаллической решетке, меньшее, чем в модификации p-Fe, и поэтому переход γ -Fe в P-Fe сопро­вождается увеличением объема кристалла. Отмечено, что модификация α -Fe облада­ет магнитными свойствами (ферромаг-нит), тогда как модификация (З-Fe этими свойствами почти не обладает, хотя крис­таллические решетки их сходны между собой.

Классификация металлов по температуре плавления

Разные металлы могут переходить в жидкое состояние при разной температуре. Вследствие этого выделяют определённую классификацию. Их делят следующим образом:

1. Легкоплавкие — те элементы, которые могут становиться жидкими уже при температуре ниже 600 градусов. К ним относят цинк, олово, свинец и пр. Их можно расплавить даже в домашних условиях — просто нужно разогреть при помощи плиты или паяльника. Такие виды нашли применение в технике и электронике. Они используются для соединения элементов из металла и движения электрического тока. Олово плавится при 232 градусах, а цинк — при 419 градусах.
2. Среднеплавкие — элементы, которые начинают расплавляться при температуре от шестисот до тысячи шестисот градусов. Эти элементы используют по большей части для строительных элементов и металлоконструкций, то есть при создании арматур, плит и строительных блоков. В эту группу входят: железо, медь, алюминий. Температура плавления алюминия сравнительно низка и составляет 660 градусов. А вот железо начинает переходить в жидкое состояние лишь при температуре 1539 градусов. Это один из самых распространенных металлов, используемых в промышленности, особенно в автомобильной. Однако железо подвержено коррозии, то есть ржавчине, поэтому ему требуется специальная поверхностная обработка. Его необходимо покрывать краской или олифой, и не допускать попадание влаги.
3. Тугоплавкие — это такие материалы, которые расплавляются и становятся жидкими при температуре выше 1600 градусов. В эту группу относят вольфрам, титан, платину, хром и т. п. Они используются в ядерной промышленности и для некоторых машинных деталей. Они могут применяться для расплавки других металлов, изготовления высоковольтных проводов или проволоки. Платину можно расплавить при 1769 градусах, а вольфрам — при 3420 °C.

Единственный элемент, который при обычных условиях находится в жидком состоянии — это ртуть. Температура его плавления составляет минус 39 градусов и его пары являются ядовитыми, поэтому его используют только в лабораториях и закрытых ёмкостях.

Процесс плавления металла

Данный процесс обозначает собой переход вещества из твердого состояния в жидкое. При достижении точки плавления металл может находиться как в твердом, так и в жидком состоянии, дальнейшее возрастание приведет к полному переходу материала в жидкость.

То же самое происходит и при застывании — при достижении границы плавления вещество начнет переходить из жидкого состояния в твердое, и температура не изменится до полной кристаллизации.

При этом следует помнить, что данное правило применимо только для чистого металла. Сплавы не имеют четкой границы температур и совершают переход состояний в некотором диапазоне:

1. Солидус — линия температуры, при которой начинает плавиться самый легкоплавкий компонент сплава.
2. Ликвидус — окончательная точка плавления всех компонентов, ниже которой начинают появляться первые кристаллы сплава.

Точно измерить температуру плавления таких веществ невозможно, точкой перехода состояний указывается числовой промежуток.

В зависимости от температуры, при которой начинается плавление металлов, их принято разделять на:

• Легкоплавкие, до 600 °C. К ним относятся олово, цинк, свинец и другие.
• Среднеплавкие, до 1600 °C. Большинство распространенных сплавов, и такие металлы как золото, серебро, медь, железо, алюминий.
• Тугоплавкие, свыше 1600 °C. Титан, молибден, вольфрам, хром.

Также существует и температура кипения — точка, при достижении которой расплавленный металл начнет переход в газообразное состояние. Это очень высокая температура, как правило, в 2 раза превышающая точку расплава.

Влияние давления

Температура плавления и равная ей температура затвердевания зависят от давления, возрастая с его повышением. Это обусловлено тем, что при повышении давления атомы сближаются между собой, а для разрушения кристаллической решетки их нужно отдалить. При повышенном давлении требуется большая энергия теплового движения и соответствующая ей температура плавления увеличивается.

Существуют исключения, когда температура, необходимая для перехода в жидкое состояние, при повышенном давлении уменьшается. К таким веществам относят лёд, висмут, германий и сурьма.

Плавка металла

Поступающие для плавки частицы одного или нескольких металлов загружаются в специальные плавильные печи, под влиянием высокой температуры доводятся до жидкой однород­ной массы, которая отливается в формы для получения слитков. Материал, поступающий в плавку, называется шихтовым, или шихтой. Шихта может быть в виде чистых металлов, брако­ванных слитков и изделий, лома, обрезков, стружки и опилок и других отходов ювелирного производства. Шихтовый материал в зависимости от степени и характера загрязнения подвергается различной обработке. Возвратные отходы от переработки драгоценных металлов своего производства (литники, высечка, стружка, обрезки и др.), не вызывающие сомнения в отношении содержания основных и легирующих компонентов, поступают в плавку без предваритель­ной подготовки. Отходы драгоценных металлов (опилки, мелкие обрезки, стружка), загрязненные в процессе работы, проходят очиститель­ную обработку и только после этого поступают в плавку. Шихтовые материалы, загрязненные вредными примесями (металлами, не отвечающими составу сплава; материалами, отрицательно влияющими на свойства сплава, и т.д.), подверга­ют предварительной плавке, а затем отправляют на аффинаж­ные заводы или на заводы вторичных драгоценных металлов. Очистка шихты. Отходы драгоценных металлов, возвращаю­щиеся от рабочих (опилки, стружка, мелкие обрезки и т.д.), не могут быть не загрязнены. Очистительной обработкой этих отходов занимаются сами рабочие. Собранные опилки прокали­вают в муфельной печи для удаления всех сгорающих примесей (дерева, воска, щетины от щеток, бумажной и другой пыли). Остывшую шихту разрыхляют и тщательно промагничивают для извлечения стальных примесей (опилок, обломков лобзиковых пилок и сверл, окалины). Очищенные таким образом отходы драгоценных металлов можно считать подготовленными к плавке для определения слитка на пригодность к дальнейшему исполь­зованию. Сплавляют для различных целей — соединения частей одного металла в один слиток, приготовления сплавов и припоев (легко­плавких, легкотекучих сплавов), освежения сплава и т. д. Плавку драгоценных металлов производят в индукционных печах с графитовым тиглем. Шихтовый материал загружается в тигель — огне­упорный сосуд плавильной печи, в котором расплавляют металл. Последовательность загрузки зависит от величины и состояния шихты (крупные куски, слитки или мелкие обрезки, стружка и т.д.), состава и температурных характеристик компонентов, входящих в сплав. Порядок загрузки и плавки шихты. При плавке однородного металла шихту можно загружать в тигель одновременно, если плавильная печь обеспечивает быстрый нагрев шихты. В против­ном случае, сначала загружают крупные куски или брикеты, а по мере их расплавления добавляют мелкие обрезки и другие от­ходы. Расплав из золота нагревают до 1200…1250°С, серебра — до 1100…1150оС. Для приготовления двойных золотосеребряных сплавов за­грузку шихты начинают с серебра. Его загружают на дно тигля, а сверху засыпают золото и расплавку ведут одновременно, если куски шихты приблизительно одного размера. Если же величина шихтовых материалов различна, то загружают сначала крупные куски, а по мере их расплавки добавляют мелкие, серебряные или золотые. Температура нагрева расплава для золотых сплавов с содержанием до 30 % Ag- 1200…1250°С, для сплава с содер­жанием 40…70 % Ag- 1180…1240°С, для сплава с содержанием 80% Ag- 1170…1230°С. При легировании золота медью (приготовление двойных золотомедных сплавов) плавку шихты начинают с золота. Если величина шихтовых материалов различна, то плавят раньше слитки и крупные куски золота, а затем догружают мелочь. Медь загружают только после того, как полностью расплавится золо­тая шихта. Для всех сплавов с содержанием меди в качестве медной лигатуры используют прокат марок не ниже M1. Расплав, содержащий до 2 % Сu, нагревают до 1190…1250°С; 8,4 % Сu- до 1180… 1240°С; 42,7% Сu- до 1150…1230°С. При приготовлении тройных золотосеребряномедных сплавов сначала загружают золото и серебро, а затем в золотосеребряный расплав — медь. Нагрев расплава производится: для сплава 958-й пробы до 1180…1240°С; 750-й — до 1180…1200 °С; 583-й — 1080…1200°С; 500-й — 1070…1160°С; для сплавов 375-й пробы до 1120…1230 °С. Загрузку золотоникелевомедного сплава начинают с золота. После его расплавления догружают никель и медь. Тигель нагре­вают на 150…250° выше температуры полного расплавления. При плавке серебряных сплавов загрузку тигля начинают с серебра и после полного расплавления загружают медь. Для сплавов серебра 875-й пробы и выше температура нагрева 1090…1140°С. Плавку золотых припоев с содержанием легкоплавких метал­лов цинка и кадмия можно производить двумя способами: 1) цинк и кадмий вводят в расплав в последнюю очередь подо­гретыми до температуры 150°С; 2) сначала создают промежу­точные лигатуры легкоплавких металлов с медью при постепен­ном нагревании металлов, а затем сплавляют весь набор сплава. Защитные покровы, флюсы, раскислители. При плавке драго­ценных металлов и сплавов для предохранения расплавов от окисления, насыщения кислородом и другими газами из окру­жающей среды, а также для верхней теплоизоляции расплавов (для сокращения расходов, теплоты на плавку) применяют сле­дующие защитные покровы: древесный уголь, буру, борную кис­лоту, хлористый кальций, хлористый натрий, хлористый калий, хлористый барий. Флюсы очищают расплавы от нежелательных компонентов, загрязнений и примесей путем окисления и перевода оксидов в шлаки. В большинстве случаев в качестве флюсов используются те же вещества, что и для защитных покровов. Раскислители восстанавливают окисленные компоненты рас­плава до металлов для повышения его жидкотекучести и качест­ва отливаемых слитков. Для драгоценных сплавов раскислителями являются цинк, фосфористая медь и марганцовокислый калий. При выборе защитных покровов, флюсов и раскислителей необходимо учитывать характер их взаимодействия с расплава­ми и отдельными компонентами расплавов. Например, древесный уголь, один из лучших защитных покровов для серебра и его сплавов, не пригоден для платины, так как платина, металлы платиновой группы и никель, а также сплавы с содержанием этих металлов при плавке подвержены науглероживанию. Недо­пустимо также применение угля совместно с калиевой селитрой и поташом, так как эти флюсы при нагревании в присутствии углерода образуют взрывоопасные соединения. Древесный уголь может выполнять роль как защитного по­крова, так и флюса. Для плавок драгоценных металлов и спла­вов лучшим считается хорошо прокаленный березовый уголь. Температура вспышки угля 250…300°С. Уголь прокаливается без доступа воздуха до вишнево-красного цвета. Хранится в су­шильных шкафах при температуре на 20…50° выше температуры окружающей среды. В качестве защитного покрова может быть применен при плавке серебра, серебряно-медных сплавов, золота и золотых сплавов без содержания платины, металлов платино­вой группы и никеля. Бура (плавленая) используется в качестве флюса и защит­ного покрова при плавке драгоценных металлов. Обладает свой­ством хорошо отшлаковывать оксиды многих металлов и шлако­вых включений. Расплавленная бура обладает хорошей смачи­ваемостью. Находясь в шихте, она обволакивает нерастворимые тугоплавкие включения и оксиды и поднимает их на поверхность. Переплавленную, мелкоистолченную и прокаленную при темпе­ратуре 450°С буру хранят в сухой посуде с притертой пробкой. В качестве флюса и защитного покрова бура может применяться для всех драгоценных металлов и сплавов, как самостоятельно, так и в сочетании с другими флюсами. Для лучшего скольжения расплава по стенкам бурой покрывают рабочую часть тигля. Борная кислота (плавленая) используется в качестве флюса при плавке золотых сплавов. Буру или борную кислоту засыпают на дно прогретого тигля до загрузки шихты, таким образом, смачивая частицы металла до начала их окисления. Смесь поташа с бурой (1:1 по массе) применяют как флюс при очистительных плавках. Смесь должна быть прокалена. Флюс вводят порциями. При загрязнении шихты нежелательны­ми металлами применяют смесь буры с калиевой или натриевой селитрами. При плавке драгоценных сплавов с селитрой можно повысить пробу сплава до 20 ед. При плавке с селитрой шихту нагревают под покровом буры до температуры отливки и в расплав двумя- тремя приемами вводят селитру. Другие флюсы — хлористый кальций, хлористый барий, хло­ристый натрий, хлористый калий — также применяют при очис­тительных плавках. Свойства и действие флюсов однотипны. Температура плавления 772…925°С. Образуют хорошие защит­ные покровы для сплавов с температурой плавления до 1300°С. Хлористый кальций, хлористый барий, хлористый натрий или хлористый калий, как и буру, применяют в переплавленном, измельченном и прокаленном виде. Лучший раскислитель для золотых сплавов — цинк. Его вво­дят из расчета 0,05…0,1 % от массы шихты. Для серебряных сплавов используют фосфористую медь. Процесс плавки. Перед загрузкой шихты в тигель следует проверить исправность плавильной системы и подготовить для отливки слитка изложницы. Тигель перед загрузкой в него метал­ла прогревают, на дно прогретого тигля засыпают флюс из рас­чета 1 % от массы шихты. Затем в тигель загружают шихту и задают нужную температуру. После расплавления шихты рас­плав покрывают небольшим количеством свежего флюса и пере­мешивают. Не понижая температуры нагрева, расплаву дают отстояться, чтобы флюс отшлаковал ненужные оксиды и приме­си, вводят раскислитель. В расплавы припоев и сплавов, содер­жащих цинк, раскислитель не вводится в связи с достаточным количеством компонентов, выполняющих роль раскислителя. Из­ложницы, нагретые до 100°С для удаления следов влаги, нати­рают технологической смазкой и устанавливают для отливки. После этого расплав отливают через сливной желоб тигля в изложницы, и после полной кристаллизации и выдержки слиток извлекают. На предприятиях, оборудованных плавильными комплексами, плавку и отливку производят в центробежных или вакуумных установках. В условиях мастерских, не оборудованных плавильными печа­ми, шихту нагревают газопламенной горелкой. Плавку проводят в специальных тигельках (плошках), рассчитанных для массы металла не более 30 г. Плошки изготовляют из смесей на основе огнеупорной глины, каолина, графита, шамота. В этих же целях можно использовать шамотный кирпич или кусок древесного угля, обмазанного огнеупорной глиной. Используют также плош­ки из кварцевого стекла. Но самой доступной в любых условиях является плошка, изготовленная из асбестового картона толщи­ной 6…8 мм. Обрезанный по размеру картон увлажняют и при­дают ему форму легкого прогиба (углубление не должно превы­шать 6…7 мм, чтобы не создать эффект отраженного пламени), сушат и перед плавкой глазуруют бурой. Асбестовый тигелек выдерживает 3…4 плавки. Однако все эти тигельки недолговечны, застывающая бура отслаивает глиняную обмазку, а кварцевый тигелек сразу после отливки резко охлаждают в воде, иначе, бура, остывая, разрывает поверхность кварца. Плавку припоя в плошках осуществляют с добавлением легкоплавкого компонента под слегка пристывший слиток с продолжением плавки. Слитки трехкомпонентных сплавов «золото — медь — сереб­ро» при охлаждении ниже 450°С сохраняют первоначальную кубическую гранецентрированную решетку и свойства твердого раствора, поэтому слитки необходимо подвергать резкому охлаж­дению. Это придает им мягкость и пластичность. Для отливки слитков драгоценных металлов используют чу­гунные и стальные изложницы (рис. 3). Изложница, или ингус, представляет собой металлический брусок с выфрезерованным пазом по форме будущего слитка. Нерабочая стенка изложницы делается выше, она служит экраном, направляющим расплав в паз. Размеры изложниц и толщина их стенок зависят от разме­ров слитка. Изложницы для горизонтальной отливки делают сплошными. Они могут иметь несколько ячеек. Для вертикальной отливки изготовляют разъемные изложницы, с заливной ворон­кой с торца. Изложницы рекомендуется делать из серого гематитового чугуна с малым содержанием примесей серы и фосфора или низкосортных сталей (как правило, разъемные). Изложницы прокаливают до температуры 500…550°С с техно­логическими смазками. Роль технологических смазок — обеспе­чить хорошее качество отливаемых слитков, т. е. хорошее расте­кание расплава по ячейке, препятствовать образованию раковин и наплывов и пригоранию расплава к стенкам изложницы. В ка­честве смазок употребляют: льняное, конопляное, подсолнечное, веретенное и машинное масла, пчелиный воск и водную эмуль­сию молотого мела. Перечисленные масла рекомендуются для отливки слитков из серебра, золота и припоев. Если смазку производят непосред­ственно перед отливкой, то перед использованием масло обяза­тельно обезвоживают кипячением на водяной бане при 110… 120°С в течение 2 ч. Смазку наносят тонким слоем на рабочую поверхность изложницы, подогретой до температуры не более 100 °С. Пчелиный воск — одна из лучших смазок. Используется в тех же случаях, что и масла. Наносится на рабочую поверхность изложницы, нагретой до 50…70оC. Водная эмульсия молотого мела применяется при отливке высокотемпературных металлов и сплавов — золота, платины, палладия. После нанесения слоя эмульсии на рабочую поверх­ность изложницы, нагретой до 150…200°С, ее тщательно просу­шивают до полного удаления влаги. Просушенную изложницу рекомендуется прокаливать при температуре 550°С, тогда изложница выдерживает более 100 заливок. Делают это заранее, так чтобы к моменту отливки изложница имела рабочую темпе­ратуру 150…200°С. Плавка и отливка металлов — один из наиболее опасных процессов, при котором несоблюдение мер безопасности труда может вызвать серьезные травмы. Выполнять плавку можно только на полностью исправном и налаженном оборудовании. Вся плавиль­ная оснастка должна быть заранее подготовлена и разложена на удобных для работы участках. Плавку следует проводить в защитных очках и с предельной осторожностью. Загружать ших­ту в нагретый тигель нужно при помощи специального жестяного совочка, размеры которого позволяют безопасно провести опера­цию. Помешивание расплава и снятие шлака осуществляют специальной графитовой или кварцевой мешалкой, длина кото­рой обеспечивает удобство работы и надежную защиту рук от ожогов. Особой осторожности требует разлив металла в излож­ницы. Кроме того, что необходим навык, надо убедиться в пра­вильности установки изложницы и степени смазки ее. Лишняя смазка может вызвать разбрызгивание сплава. Плавильщик обя­зан работать в защитном фартуке из кожи, брезента или войло­ка. Выброс слитков из изложниц и охлаждение их производят в рукавицах.