Температура плавления стали

Температура плавления стали

Прежде чем говорить о сталях, давайте определимся с физическим смыслом самой категории температура плавления. В научно-производственной сфере это понятие используется еще и как температура отвердевания. Физический смысл данной категории состоит в том, что эта температура показывает, при каком ее значении происходит смена агрегатного состояния вещества, то есть его переход из жидкого в твердое состояние. В самой же точке температурного перехода вещество может быть как в одном, так и в другом состоянии. При подаче дополнительного тепла предмет или вещество приобретает жидкое состояние, а при отведении тепла – отвердевает. Этот показатель считается одним из самых важных в системе физических свойств любого вещества, при этом необходимо учитывать (это особенно важно понимать применительно к сталям), что температура отвердевания численно равна температуре плавления лишь в том случае, когда мы говорим об идеально чистом веществе.

Как известно из школьной программы, температура плавления стали для различных видов сплавов различна. Это определяется структурой сплава, входящими в него компонентами, характером технологического производства стали и другими факторами.

Так, например, температура плавления стали, состоящей из медноникелевого сплава равна примерно 1150 °С. Если мы будем в таком сплаве увеличивать содержание никеля, то температура будет повышаться, так как температура плавления самого никеля гораздо выше, чем у меди. Как правило, в зависимости от химического состава сплава и соотношения присутствующих в нем компонентов температура плавления стали может находиться в границах 1420-1525 °С, если такая сталь подлежит разливке в формы в процессе металлургического производства, то температуру необходимо поддерживать еще на 100-150 градусов выше. Важным фактором, который влияет на температуру плавления, является уровень содержания в сплаве углерода. Если его содержание высоко, то температура будет ниже, и, соответственно, наоборот – при понижении количества углерода температура повышается.

Более сложным с точки зрения определения величины является процесс измерения температуры плавления в нержавеющих сталях. Причиной этого является их сложный химический состав. Например, стали марки 1X18H9, широко используемые в стоматологии и электротехнике, имеют в своем составе, кроме собственно железа, еще углерод, никель, хром, марганец, титан и кремний. Естественно, температура плавления нержавеющей стали такого состава будет определяться свойствами каждого компонента, входящего в нее. Из такой стали изготавливаются литые зубы, коронки, различного типа зубные протезы, электродетали и другое. Можно привести перечень некоторых свойств, которыми обладает эта нержавеющая сталь, температура плавления ее составляет 1460-1500 °С, поэтому, исходя из данного параметра и химического состава сплава, для его пайки применяются специальные серебряные припои.

Одними из самых высокотехнологичных в современном производстве видов сплавов являются различные стали с включением в их состав элементов титана. Это обусловлено тем, что эти стали имеют практически стопроцентную биологическую инертность, а температура плавления стали на основе титана – одна их самых высоких.

Большинство сталей содержит в своем составе железо в качестве основного компонента. Это объясняется не только тем, что этот металл – один из распространенных в природной среде, а еще и тем, что железо представляет собой практически универсальный элемент для производства сталей различных марок и сплавов, в состав которых он входит. Эта широта применения объясняется тем, что показатель температуры плавления этого металла, равный 1539 градусам, в сочетании с иными уникальными химическими свойствами делает железо подходящим компонентом для широкого перечня марок сталей различного назначения.

Температура плавления стали

Прежде чем говорить о сталях, давайте определимся с физическим смыслом самой категории температура плавления. В научно-производственной сфере это понятие используется еще и как температура отвердевания. Физический смысл данной категории состоит в том, что эта температура показывает, при каком ее значении происходит смена агрегатного состояния вещества, то есть его переход из жидкого в твердое состояние. В самой же точке температурного перехода вещество может быть как в одном, так и в другом состоянии. При подаче дополнительного тепла предмет или вещество приобретает жидкое состояние, а при отведении тепла – отвердевает. Этот показатель считается одним из самых важных в системе физических свойств любого вещества, при этом необходимо учитывать (это особенно важно понимать применительно к сталям), что температура отвердевания численно равна температуре плавления лишь в том случае, когда мы говорим об идеально чистом веществе.

Как известно из школьной программы, температура плавления стали для различных видов сплавов различна. Это определяется структурой сплава, входящими в него компонентами, характером технологического производства стали и другими факторами.

Так, например, температура плавления стали, состоящей из медноникелевого сплава равна примерно 1150 °С. Если мы будем в таком сплаве увеличивать содержание никеля, то температура будет повышаться, так как температура плавления самого никеля гораздо выше, чем у меди. Как правило, в зависимости от химического состава сплава и соотношения присутствующих в нем компонентов температура плавления стали может находиться в границах 1420-1525 °С, если такая сталь подлежит разливке в формы в процессе металлургического производства, то температуру необходимо поддерживать еще на 100-150 градусов выше. Важным фактором, который влияет на температуру плавления, является уровень содержания в сплаве углерода. Если его содержание высоко, то температура будет ниже, и, соответственно, наоборот – при понижении количества углерода температура повышается.

Более сложным с точки зрения определения величины является процесс измерения температуры плавления в нержавеющих сталях. Причиной этого является их сложный химический состав. Например, стали марки 1X18H9, широко используемые в стоматологии и электротехнике, имеют в своем составе, кроме собственно железа, еще углерод, никель, хром, марганец, титан и кремний. Естественно, температура плавления нержавеющей стали такого состава будет определяться свойствами каждого компонента, входящего в нее. Из такой стали изготавливаются литые зубы, коронки, различного типа зубные протезы, электродетали и другое. Можно привести перечень некоторых свойств, которыми обладает эта нержавеющая сталь, температура плавления ее составляет 1460-1500 °С, поэтому, исходя из данного параметра и химического состава сплава, для его пайки применяются специальные серебряные припои.

Одними из самых высокотехнологичных в современном производстве видов сплавов являются различные стали с включением в их состав элементов титана. Это обусловлено тем, что эти стали имеют практически стопроцентную биологическую инертность, а температура плавления стали на основе титана – одна их самых высоких.

Большинство сталей содержит в своем составе железо в качестве основного компонента. Это объясняется не только тем, что этот металл – один из распространенных в природной среде, а еще и тем, что железо представляет собой практически универсальный элемент для производства сталей различных марок и сплавов, в состав которых он входит. Эта широта применения объясняется тем, что показатель температуры плавления этого металла, равный 1539 градусам, в сочетании с иными уникальными химическими свойствами делает железо подходящим компонентом для широкого перечня марок сталей различного назначения.

ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ И РАЗЛИВКИ СПЛАВОВ

Под температурой плавления сплава подразумевают температуру ликвидуса, т. е. температуру верхней области затвердевания сплава на его диаграмме состояния. В реальных сплавах часто присутствуют не два компонента, как это имелось в виду при составлении диаграмм состояния, а три и более, что весьма усложняет диаграмму состояния сплава и затрудняет определение по ней температуры его плавления. В таких случаях температура плавления сплавов устанавливается опытным путем или подсчитывается приблизительно, исходя из влияния отдельных компонентов сплава на температуру его плавления.

Температура разливки сплавов всегда превышает температуру их плавления, так как иначе сплавы не будут обладать нужной жидкотекучестью. Кроме того, в ряде случаев повышение температуры разливки благоприятно влияет на строение сплава, например такого, как серый чугун, вызывая измельчение графитовых включений. При более высокой температуре разливки из жидкой стали легче выделяются неметаллические включения. Однако перегрев (перегревом называется превышение температуры жидкого сплава над температурой его плавления) сплава должен быть ограничен определенными пределами, зависящими как от свойств самого сплава, так и от особенностей отливок, получаемых из него. Как будет показано ниже, повышение температуры разливки в ряде случаев вызывает рост кристаллитов сплава, усиливает усадочные явления, увеличивает поглощение газов, повышает склонность сплава к горячим трещинам, ликвации и т. д. Большое влияние на температуру разливки оказывают сложность и размеры отливок, в том числе толщина их стенок. Чем сложнее отливки и чем тоньше их стенки, тем более высокий перегрев должен иметь сплав при разливке его по формам. Нужно также учитывать, что при песчаных формах повышение температуры разливки таких тугоплавких сплавов, как сталь, усиливает пригар формовочных и стержневых смесей к поверхности отливок. Учитывая все эти обстоятельства, температура разливки сплава определенного химического состава устанавливается для каждой группы отливок опытным путем с учетом главных особенностей изготовляемых отливок.

Связь между диаграммой состояния сплавов и температурой их разливки наиболее четко выявляется в тех случаях, когда сплавы состоят из двух компонентов или, когда в их составе имеется незначительное количество примесей, не влияющих заметно на температуру плавления и другие литейные свойства.

Такое положение характерно дли углеродистой стали, свойства которой практически определяются только содержанием углерода. На рис. 27 показано взаимное положение верхней части диаграммы состояния сплавов железа с углеродом и области 1, соответствующей обычному интервалу значений температуры разливки стали в зависимости от содержания в ней углерода. Из рисунка видно, что температура разливки углеродистой стали превышает на 30—110°С температуру начала ее затвердевания. Нужно отметить, что в случае изготовления сложных тонкостенных отливок из низкоуглеродистой стали температура разливки стали может составлять 1700°С, а иногда еще выше.

Температура плавления легированных сталей обычно несколько ниже, чем углеродистых, имеющих то же содержание углерода. Значительная разница в этом отношении имеется для некоторых высоколегированных сталей (например, высокомарганцевых), температура плавления которых гораздо ниже, чем углеродистых (табл. 19).

Рис. 27. Зависимость между температурой разливки стали, ковкого и серого чугуна и температурой плавления сплавов железа с углеродом: 1—сталь; 2— ковкий чугун; 3—серый чугун.

Таблица 19. Температуры плавления и разливки сталей различного состава

Таблица 20. Температуры плавления и разливки различных сплавов цветных металлов

Температуры разливки легированных сталей близки (за исключением высокомарганцевых сталей) к температурам разливки соответствующих углеродистых сталей.

Для легированных сталей разница между наименьшими значениями температуры разливки и температурой плавления несколько больше, чем для углеродистых сталей (40—50 °С вместо 30—35 °С). По-видимому, это объясняется уменьшением жидкотекучести легированных сталей при пониженной температуре разливки из-за наличия в них пленок (окислов) и по другим причинам.

Области 2 и 3 (рис. 27) соответствуют приблизительным значениям температуры (с поправкой на показания оптического пирометра) разливки ковкого (имеется в виду белый чугун) и серого чугуна. Из рис. 27 видно также, что перегрев серого и особенно ковкого чугуна весьма значителен по сравнению с перегревом стали. Это обстоятельство (в известной степени) можно объяснить тем, что из серого чугуна в ряде случаев отливают мелкие, весьма тонкостенные детали.

Значения температур плавления и разливки сплавов цветных металлов приведены в табл. 20. Из данных этой таблицы видно, что по перегреву эти сплавы можно разделить на три группы:

1) малый перегрев — оловянные бронзы с высоким содержанием свинца, латуни (кроме латуни марки ЛК80-ЗЛ) и цинковый сплав;

2) средний перегрев — алюминиевые и магниевые сплавы; безоловянные бронзы, латунь марки ЛК80-ЗЛ;

3) высокий перегрев — оловянные и свинцовые бронзы и титановый сплав.

Помимо особенностей отливок, изготовляемых из отдельных сплавов, различия в величине перегрева отчасти можно объяснить свойствами сплавов. Так, сравнительно низкий перегрев бронз с высоким содержанием свинца объясняется как тем, что из них отливаются преимущественно простые детали (вкладыши подшипников, втулки), так и тем, что свинец легко ликвирует в жидком сплаве, а поэтому сплав не следует перегревать. Высокий перегрев оловянных бронз с небольшим содержанием свинца вызван необходимостью полного растворения в жидком сплаве кристаллитов, которые при недостаточном перегреве жидкого сплава могут вызвать после затвердевания неравномерное крупнозернистое строение, обладающее худшими свойствами, чем равномерное и мелкозернистое. Несколько повышенный перегрев латуни марки ЛК80-ЗЛ объясняется не только тонкостенностью изготовляемых из нее отливок, но и тем, что ее жидкотекучесть ухудшается из-за наличия пленок окиси кремния (SiО₂). Такое же явление наблюдается и в алюминиевых бронзах, в которых образуются пленки окиси алюминия (Al₂О₂). Поэтому температура разливки различных сплавов устанавливается с учетом не только температуры плавления, но и других главных факторов, влияющих на процесс заполнения форм жидким сплавом.

УСАДКА

При охлаждении сплава в форме происходит довольно быстрое уменьшение его объема. В течение нескольких секунд на всей поверхности сплава образуется мелкозернистая корочка, постепенно увеличивающаяся по толщине. В связи с этим дальнейшее охлаждение сплава, а также его затвердевание происходят внутри оболочки почти без контакта с окружающей атмосферой. Вследствие уменьшения объема в отливках из ряда сплавов при этом образуются полости (усадочные раковины или рыхлоты). Некоторые сплавы (например, серый чугун) при затвердевании увеличиваются в объеме, так как происходит выделение графита, имеющего меньшую плотность и больший удельный объем, чем исходный сплав. Дальнейшее уменьшение объема и размеров отливок из всех сплавов происходит при последующем их охлаждении в твердом состоянии. Общее уменьшение объема и размеров отливок называетсяусадкой.

В литейном производстве различают объемную и линейную усадку.

Под объемной усадкой подразумевают разницу между объемом жидкого сплава, заполнившего полость формы, и объемом отливки после ее полного охлаждения.

Линейной усадкой называют разницу линейных размеров полости формы и охлажденной отливки. Для удобства усадку обычно выражают в процентах по отношению к первоначальному объему жидкого сплава (объемная усадка) или первоначальным размерам полости формы (линейная усадка). Можно считать, что для ряда сплавов объемная усадка приблизительно в три раза больше линейной.

Если при усадке сплава нет препятствий к уменьшению его объема и размеров, то такую усадку называют свободной усадкой.

Усадка меняется в зависимости от химического состава сплава. Так, усадка серого чугуна уменьшается при увеличении содержания углерода и кремния, а также при уменьшении содержания марганца и серы.

В алюминиевых сплавах уменьшает усадку увеличенное содержание кремния. Наличие меди и магния, наоборот, увеличивают усадку этих сплавов.

Повышение содержания алюминия и цинка понижает усадку магниевых сплавов.

Практически при изготовлении отливок уменьшение их размеров происходит в условиях затрудненной усадки, при которой препятствием являются выступающие части формы, стержни и т.д. Поэтому во многих случаях действительная усадка подучается меньшей, чем свободная. Действительная линейная усадка называется литейной усадкой и выражается в %. Величина литейной усадки всегда меньше свободной, причем разница между ними тем больше, чем крупнее и сложнее отливка. Значения усадки сплавов приведены в табл. 21.

Таблица 21. Примерные значения усадки сплавов

В зависимости от физических свойств сплава и условий его охлаждения объемная усадка при затвердевании сплава может проявиться различным образом, а именно:

а) в виде сосредоточенных внутренних полостей (иногда такие полости могут выходить на поверхность, т. е. быть открытыми), расположенных в местах отливки, затвердевающих последними (усадочные раковины);

б) в виде равномерного изменения только внешних размеров, при этом стенки отливок получаются плотными;

в) в виде мелких рассеянных полостей, расположенных по толщине отливок около отдельных зерен сплава; подобные мелкие полости называются усадочной пористостью или рыхлотой.

Сплавы, затвердевающие в узком интервале температуры (например, сталь, безоловянные бронзы), переходят из жидкого в твердое состояние последовательно, образуя один за другим тонкие слои отливки; поэтому они более склонны к образованию сосредоточенных усадочных раковин (рис. 29, а). Наоборот, в отливках из сплавов, имеющих широкий интервал температуры затвердевания (например, оловянные бронзы), образуются разобщенные участки жидкого сплава, кристаллизующиеся обособленно друг от друга и дающие при этом местные усадочные поры (рис. 29, 6). Увеличение скорости затвердевания этих сплавов способствует уменьшению усадочной пористости и образованию сосредоточенных раковин.

Рис. 29. Схема образования в отливках усадочной раковины (а) и усадочных пор (б)

Уменьшению усадочных раковин и рыхлости способствуют:

§ понижение температуры и скорости заливки,

§ увеличение скорости охлаждения отливки при её затвердевании,

§ меньшая толщина стенок,

§ применение металлических форм и т.д.

При изготовлении отливок из сплавов, имеющих увеличенную объемную усадку и образующих при затвердевании усадочные раковины (стали, высокопрочные чугуны), обычно на верхних и массивных частях отливок устанавливают прибыли — резервуары жидкого сплава, питающие отливки при их затвердевании и восполняющие сокращение их объема. При этом размеры и расположение прибылей должны быть такими, чтобы они затвердевали последними и в них образовывались усадочные раковины.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.005 с) .

Плавка свинца и олова, температуры плавления металлов

Свинец — легкоплавкий металл, поэтому расплавить его довольно просто, даже не имея специального оборудования. Главное, что нужно знать — какова температура плавления свинца. От этого зависит выбор емкости, в которой будет происходить плавка. Для свинца подойдет обычная консервная банка, так как жесть для нее изготавливают из стали, которая плавится при температуре в несколько раз больше, чем у выплавляемого металла.

Свинец и его свойства

Грязно-серый цвет этого металла — результат того, что в атмосфере на его поверхности за короткое время образуется окисная пленка. Именно она придает такой невзрачный вид свинцу. Однако, если несколько раз провести напильником по поверхности металла, то под тонким слоем оксидной пленки станет видна блестящая поверхность с голубоватым оттенком. Это очень мягкий и тяжелый материал, он почти в полтора раза тяжелее стали. Плотность свинца — 11,34 г/куб.см, а плотность железа — 7,80 г/куб.см.

Свинец был открыт в древности примерно 4000 — 4500 лет до нашей эры. В современной промышленности его получение происходит в основном металлургическим способом из свинцовых руд и концентратов.

У свинца низкая температура плавления — всего 327 °C, а температура кипения — 1749 °C. Следует учитывать токсичность свинцовых паров и то, что этот химический элемент плохо выводится из организма. Чем больше нагревается расплавленный свинец, тем больше он испаряется. Поэтому помещение, в котором происходит плавка, должно хорошо проветриваться.

Именно благодаря невысокой температуре плавления свинец используют при изготовлении мягких припоев вместе с оловом.

Характеристика олова

Плавится при 232 °C, кипит при 2600 °C, отлично сплавляется с разными металлами, благодаря высокой пластичности хорошо поддается ковке. Паяльное олово используется в качестве припоя, так как оно хорошо смачивает металлы. Промышленное получение олова значительно сложнее чем свинца, поэтому оно гораздо дороже.

В отличие от свинца олово выглядит гораздо привлекательнее. Этот серебристо-белый металл безопасен для здоровья человека. Оловом часто покрывают поверхности металлических изделий в местах, где они контактируют с пищей: посуду, консервную жесть, пищевую фольгу и другие. Однако оловянная пыль и пары при вдыхании могут вызвать опасное влияние на человеческий организм. Кроме производства тары для продуктов питания, олово широко используется в разных припоях и других сплавах, например, в антифрикционных и подшипниковых. Этот материал значительно легче свинца, его плотность 7,3 г/куб.см.

Олово полиморфно, то есть оно может существовать в различных модификациях в зависимости от температуры. При температуре ниже 13 °C белое олово (β-модификация) переходит в серое олово (α-модификацию). В результате этого фазового перехода блестящие оловянные изделия рассыпаются в порошок серого цвета. Причем при контакте с порошком белое олово как бы заражается от него и превращается в серое. Такое явление получило название «оловянная чума».

По некоторым данным, именно оно стало главной причиной гибели экспедиции Роберта Скотта на Южный полюс. Керосин, хранившийся на промежуточных складах, вытек из канистр, пропаянных по швам оловом, которое рассыпалось в порошок на морозах Антарктики. Таким образом, члены экспедиции остались почти без топлива.

Припои для пайки

Припои классифицируют по разнообразным характеристикам: степени плавления при пайке, способу изготовления, основному металлу, способности к флюсованию и др. По температуре расплавления припои бывают:

1. Легкосплавные, плавятся при менее 145 °C.
2. Мягкие, плавятся при температуре от 145 °C до 400 °C.
3. Твердые, температура плавления выше 400 °C.

Легкосплавные применяют для пайки материалов критичных к перегреву, можно назвать такие марки, как сплав Ньютона, сплав Гутри, сплав Вуда, ПОСВ 32−15−53.

Мягкие применяют для лужения и пайки швов посуды, электроаппаратуры, печатных плат, трубок теплообменников. Самые распространенные из них это оловянно-свинцовые (см. табл.1).

Твердые припои дают высокую прочность соединения и применяются для пайки несущих конструкций. К этим припоям относятся медно-цинковые (ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-54), серебряные (ПСр72, ПСр70, ПСр50, ПСр50Кд, ПСр12М) и другие.

Оловянно-свинцовые припои

Сплав олова со свинцом с содержанием олова от 10 до 90% называется припоем ПОС. Можно привести следующие обозначения марок таких припоев:

ПОС40 — содержит 40% олова, остальное — свинец, плавится при 235 градусах, применяется в промышленности для лужения и пайки электроаппаратуры, изделий из оцинкованной стали;
• ПОС90 — 90% олова, 10% свинца, расплавляется при 222 градусах, нашел свое применение при изготовлении посуды и медицинской аппаратуры;
• ПОССу 30−0,5 — 30% олова, 0,5% — сурьма, остальное — свинец, жидким становится при 255 градусах, служит для лужения и пайки листов цинка, обычной и нержавеющей стали, проводов, радиаторов.

В зависимости от процентного соотношения олова и свинца изменяется температура плавления разных марок припоя.

Температуры плавления припоев (в °С). Таблица 1

Плавление металлов

Плавление — это процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. В отличие от сплавов, у чистых металлов плавление и затвердевание (кристаллизация) происходит при неизменной строго определенной температуре. По ней различают металлы:

• легкоплавкие, плавятся при температурах до 600 °C;
• среднеплавкие — от 600 °C до 1600 °C;
• тугоплавкие — свыше 1600 °C.

В таблице 2 указано, при какой температуре плавится свинец, при какой температуре плавится олово и другие металлы.