Плавление сплавов металлов это

Основные понятия плавки литейных сплавов | 04.05.2012

Одним из основных этапов литейного производства, который во многом определяет качество готовой продукции, является плавка металлов и сплавов.

Особенности этого процесса получили отражение в терминологии, которую мы рассмотрим ниже.

Плавка – это комплекс тепловых и физико-химических процессов, происходящих в плавильной печи (рисунок 1) в ходе получения металла требуемого качества и с определенными свойствами.

Рисунок 1 – Плавильная печь для плавки алюминия

Следует различать понятия «первичная плавка» и «вторичная плавка». К первичным плавкам относят процессы выплавки металлического продукта из перворудного сырья. В большинстве случаев это обогащенные руды, которые подготовлены специальным образом к процессу с целью повышения его эффективности. К примеру, в процессе получения чугуна железная руда используется в виде спеченного концентрата, называемого агломератом или окатышами.

Как правило, расплавы, получаемые при первичной плавке, не удовлетворяют требованиям литейного производства и проходят дальнейшую обработку.

Причиной этому является массовость металлургического производства, одной из основных задач которого является удешевление конечного продукта. Однако иногда использование первичных сплавов весьма рационально. Так, чугун, получаемый в доменной печи, используют при получении различных фасонных отливок (прибыльных надставок, изложниц, шлаковых чаш и т.п.).

Во вторичной плавке литейным сплавам придают особые свойства, которые либо повышают функциональные характеристики готового изделия, либо облегчают технологический процесс литья. Поэтому в качестве исходного сырья (шихты) в этом случае применяют первичные металлы, выплавленные непосредственно из руд и вторичные металлы. Поскольку чистые металлы редко применяются для получения отливок, термин «металлы» употребляется в литейном производстве для условного краткого обозначения литейных сплавов или жидких расплавов.

Вторичными шихтовыми металлами называют либо металлический лом либо слитки или чушки вторичных сплавов (рисунок 2), полученные на специализированных заводах методами переплава отходов и лома.

Рисунок 2 – Чушки алюминия

Сам процесс плавки металлов, как правило, многостадийный и, в зависимости от особенностей химического состава конкретного продукта, а также от технологических и конструкционных параметров плавильной печи, может иметь до десяти различных стадий. В этом случае рассмотрим первичные термины, которые являются общими для большинства плавильных процессов.

Шихта – это сырьевые материалы, которые загружаются в плавильную печь и обеспечивают базовый химический состав и свойства литейного сплава. При этом соотношение компонентов шихты предварительно рассчитывается в зависимости от их химического состава и химического состава получаемого сплава.

Газовая фаза печи – это окружающая атмосфера в плавильном агрегате, состав которой, как правило, изменяется в ходе плавки из-за выделения газообразных продуктов реакций в металле или при сжигании топлива. Как правило, плавку проводят при естественной воздушной атмосфере. Однако в этом случае из газовой фазы в металл переходят некоторые вредные примеси (водород, азот, кислород). Поэтому иногда создают специальную защитную атмосферу из инертных или других газов или проводят плавку в вакууме.

Шлак – это расплавленная смесь оксидов и других сложных соединений, которые либо образуются в процессе плавки, либо специально подаются на поверхность металла для выполнения защитных или рафинирующих функций. Как правило, шлак легче металла, поэтому находится на поверхности зеркала.

Читайте также:  Тесты по теме металла для 9 класса

Естественно, что все экзогенные включения из расплава всплывают и ассимилируются шлаком (неметаллические включения, части футеровки и т.п.). Состав и свойства шлака оказывает решающее влияние на качество литейного сплава, поскольку очень часто его специально наводят для того, чтобы поглощать из металла вредные примеси. Так, добавки извести позволяют рафинировать сталь от серы и фосфора, поэтому ее специально присаживают на поверхность расплава и принудительно перемешивают с полупродуктом путем продувки аргоном.

Также попутно шлак защищает металл от тепловых потерь, от проникновения вредных газов из атмосферы, от вторичного окисления элементов сплава при транспортировке и литье.

В случае, если шлаку нужно придать особые свойства, в него вводят специальные добавки – флюсы. Так, при плавке стали для обеспечения лучшего растворения извести, в шлак вводят незначительные добавки плавикового шпата (флюорита), который является хорошим разжижителем.

Футеровка – это слой огнеупорного материала, которым выкладывают или заливают внутреннее пространство первичной печи. Как правило, это штучные огнеупоры – кирпичи, изготавливаемые из различных глин и смесей и выдерживающие высокую температуру (рисунок 3). Однако иногда используется наливная футеровка из специальных тиксотропных бетонов, которая застывает в шаблоне. Существует масса разновидностей огнеупорных материалов, которые отличаются как химическим составом, так и свойствами. Однако все огнеупоры принято делить на кислые, основные и нейтральные.

Рисунок 3 – Огнеупорный шамотный кирпич

Основные огнеупоры изготавливаются на основе основных оксидов CaO, MgO. Они являются наиболее дорогими и используются в том случае, если шлаки, используемые в плавильных процессах, также содержат в значительных количествах CaO и MgO. Это позволяет увеличить срок службы футеровки и обеспечивает проведение необходимых рафинировочных процессов.

Кислые огнеупоры изготавливаются на основе SiO2 (кварцевые, динасовые) и используются, если в процессе преобладают кислые шлаки. Также довольно часто кремнезем используется в сочетании с глиноземом (Al2O3) и тогда огнеупоры принято называть полукислыми.

Нейтральные огнеупоры могут использоваться, как в кислых, так и в основных процессах. Однако их универсальность нивелируется низкой стойкостью и высокой стоимостью, поэтому такие огнеупоры применяются значительно реже.

Назад
«Спецкрепеж»
Каталог

Вся продукция имеет необходимые сертификаты соответствия,
сертификаты качества изделия и технические паспорта.

Перечень услуг представлен в соответсвующем разделе

Источник

При каких температурах плавятся различные металлы и неметаллы?

Металлы обладают рядом оригинальных свойств, которые присущи только этим материалам. Существует температура плавления металлов, при которой кристаллическая решетка разрушается. Вещество сохраняет объем, но уже нельзя говорить о постоянстве формы.

В чистом виде отдельные металлы встречают крайне редко. На практике применяют сплавы. У них есть определенные отличия от чистых веществ. При образовании сложных соединений происходит объединение кристаллических решеток между собой. Поэтому у сплавов свойства могут заметно отличаться от составляющих элементов. Температура плавления уже не остается постоянной величиной, она зависит от концентрации входящих в сплав ингредиентов.

Понятие о шкале температур

Некоторые неметаллические предметы тоже обладают похожими свойствами. Самым распространённым является вода. Относительно свойств жидкости, занимающей господствующее положение на Земле, была разработана шкала температур. Реперными точками признаны температура изменения агрегатных состояний воды:

  1. Превращения из жидкости в твердое вещество и наоборот приняты за ноль градусов.
  2. Кипения (парообразования внутри жидкости) при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) принята за 100 ⁰С.

Кристаллические решетки металла

В идеальном виде принято считать, что металлам свойственна кубическая решетка (в реальном веществе могут быть изъяны). Между молекулами имеются равные расстояния по горизонтали и вертикали.

Твердое вещество характеризуется постоянством:

  • формы, предмет сохраняет линейные размеры в разных условиях;
  • объема, предмет не изменяет занимаемое количество вещества;
  • массы, количество вещества, выраженное в граммах (килограммах, тоннах);
  • плотности, в единице объема содержится постоянная масса.

При переходе в жидкое состояние, достигнув определенной температуры, кристаллические решетки разрушаются. Теперь нельзя говорить о постоянстве формы. Жидкость будет принимать ту форму, в какую ее зальют.

Когда происходит испарение, то постоянным остается только масса вещества. Газ займет весь объем, который будет ему предоставлен. Здесь нельзя утверждать, что плотность постоянная величина.

Когда соединяются жидкости, то возможны варианты:

  1. Жидкости полностью растворяются одна в другой, так себя ведут вода и спирт. Во всем объеме концентрация веществ будет одинаковой.
  2. Жидкости расслаиваются по плотности, соединение происходит только на границе раздела. Только временно можно получать механическую смесь. Перемешав разные по свойствам жидкости. Примером является масло и вода.

Образующиеся растворимые друг в друге вещества при застывании образуют кристаллические решетки нового типа. Определяют:

  • Гелиоцентрированные кристаллические решетки, их еще называют объёмно-центрированными. В середине находится молекула одного вещества, а вокруг располагаются еще четыре молекулы другого. Принято называть подобные решетки рыхлыми, так как в них связь между молекулами металлов слабее.
  • Гранецентрированные кристаллические решетки образуют соединения, в которых молекулы компонента располагаются на гранях. Металловеды называют подобные кристаллические сплавы плотными. В реальности плотность сплава может быть выше, чем у каждого из входящих в состав компонентов (алхимики средних веков искали варианты сплавов, при которых плотность будет соответствовать плотности золота).

Температура плавления металлов

Разные вещества имеют различную температуру плавления. Принято делить металлы на:

  1. Легкоплавкие – их достаточно нагревать до 600 ⁰С, чтобы получать вещество в жидком виде.
  2. Среднеплавкие металлы расплавляются в диапазоне температур 600…1600 ⁰С.
  3. Тугоплавкими называют металлы, которые могут расплавляться при температуре более 1600 ⁰С.

В таблице по возрастанию показаны легкоплавкие металлы. Здесь видно, что самым необычным металлом является ртуть (Hg). В обычных условиях она находится в жидком состоянии. Этот металл имеет самую низкую температуру плавления.

Таблица 1, температуры плавления и кипения легкоплавких металлов:

Таблица 2, температуры плавления и кипения среднеплавких металлов:

Таблица 3, температуры плавления и кипения тугоплавких металлов:

Чтобы вести процесс плавки используют разные устройства. Например, для выплавки чугуна применяют доменные печи. Для плавки цветных металлов производят внутренний нагрев с помощью токов высокой частоты.

В изложницах, изготовленных из неметаллических материалов, находятся цветные металлы в твердом состоянии. Вокруг них создают переменное магнитное поле СВЧ. В результате кристаллические решетки начинают расшатываться. Молекулы вещества приходят в движение, что вызывает разогрев внутри всей массы.

При необходимости плавки небольшого количества легкоплавких металлов используют муфельные печи. В них температура поднимается до 1000…1200 ⁰С, что достаточно для плавки цветных металлов.

Черные металлы расплавляют в конвекторах, мартенах и индукционных печах. Процесс идет с добавлением легирующих компонентов, улучшающих качество металла.

Сложнее всего проводить работу с тугоплавкими металлами. Проблема в том, что нужно использовать материалы, имеющие температуру более высокую, чем температура плавления самого металла. В настоящее время авиационная промышленность рассматривает использование в качестве конструкционного материала Титан (Ti). При высокой скорости полета в атмосфере происходит разогрев обшивки. Поэтому нужна замена алюминию и его сплавам (AL).

Сплавы металлов

Чтобы проектировать изделия из сплавов, сначала изучают их свойства. Для изучения в небольших емкостях расплавляют изучаемые металлы в разном соотношении между собой. По итогам строят графики.

Нижняя ось представляет концентрацию компонента А с компонентом В. По вертикали рассматривают температуру. Здесь отмечают значения максимальной температуры, когда весь металл находится в расплавленном состоянии.

При охлаждении один из компонентов начинает образовывать кристаллы. В жидком состоянии находится эвтектика – идеальное соединение металлов в сплаве.

Металловеды выделяют особое соотношение компонентов, при котором температура плавления минимальная. Когда составляют сплавы, то стараются подбирать количество используемых веществ, чтобы получать именно эвтектоидный сплав. Его механические свойства наилучшие из возможных. Кристаллические решетки образуют идеальные гранецентрированные положения атомов.

Изучают процесс кристаллизации путем исследования твердения образцов при охлаждении. Строят специальные графики, где наблюдают, как изменяется скорость охлаждения. Для разных сплавов имеются готовые диаграммы. Отмечая точки начала и конца кристаллизации, определяют состав сплава.

Сплав Вуда

В 1860 г. американский зубной техник Барнабас Вуд искал оптимальные соотношения компонентов, чтобы изготавливать зубы для клиентов при минимальных температурах плавления. Им был найден сплав, который имеет температуру плавления всего 60,2…68,5 ⁰С. Даже в горячей воде металл легко расплавляется. В него входят:

  • олово — 12,5…12,7 %;
  • свинец — 24,5…25,0 %;
  • висмут — 49,5…50,3 %;
  • кадмий — 12,5…12,7 %.

Сплавы для пайки

На практике многие сталкиваются с плавлением при пайке деталей. Если поверхности соединяемых материалов очищены от загрязнений и окислов, то их нетрудно спаять припоями. Принято делить припои на твердые и мягкие. Мягкие получили наибольшее распространение:

  • ПОС-15 — 278…282 °C;
  • ПОС-25 — 258…262 °C;
  • ПОС-33 — 245…249 °C;
  • ПОС-40 — 236…241 °C;
  • ПОС-61 — 181…185 °C;
  • ПОС-90 — 217…222 °C.

Их выпускают для предприятий, изготавливающих разные радиотехнические приборы.

Твердые припои на основе цинка, меди, серебра и висмута имеют более высокую температуру плавления:

  • ПСр-10 — 825…835 °С;
  • ПСр-12 — 780…790 °С;
  • ПСр-25 — 760…770 °С;
  • ПСр-45 — 715…721 °С;
  • ПСр-65 — 738…743 °С;
  • ПСр-70 — 778…783 °С;
  • ПМЦ-36 — 823…828 °С;
  • ПМЦ-42 — 830…837 °С;
  • ПМЦ-51 — 867…884 °С.

Использование твердых припоев позволяет получать прочные соединения.

Внимание! Ср означает, что в составе припоя использовано серебро. Такие сплавы обладают минимальным электрическим сопротивлением.

Температура плавления неметаллов

Неметаллические материалы могут быть представлены в твердом и жидком виде. Неорганические вещества представлены в табл. 4.

Таблица 4, температура плавления неорганических неметаллов:

На практике для пользователей наибольший интерес представляют органические материалы: полиэтилен, полипропилен, воск, парафин и другие. Температура плавления некоторых веществ показана в табл. 5.

Таблица 5, температура плавления полимерных материалов:

Внимание! Под температурой стеклования понимают состояние, когда материал становится хрупким.

Видео: температура плавления известных металлов.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector