Температура плавления стали

Металл становится сегодня самым популярным сырьем. Из сплавов делают трубы и резервуары, детали, инструменты, станки и пр. Чтобы успешно создавать изделия, важно знать, как растопить металл и придать форму. В статье расскажем, какова температура плавления, от чего зависит и почему это свойство важно. 

Температура плавления металла: определение

Температура плавления — физическая величина, при достижении которой вещество переходит из твердой формы в жидкую и меняет свойства. Этот параметр важен для металлов: если материал не растопить, работать с ним трудно. 

У каждой марки металла температура своя. Для определения точки плавления применяются различные методы. Один из самых популярных — нагревание образца в специальной печи с контролем температуры. Момент перехода в жидкую фазу фиксируется на термометре.

Какие характеристики определяют температуру плавления стали?

Температура плавления не является постоянной для стальных образцов: она может становиться выше или ниже. Если стальная заготовка будет использоваться для деталей — важно учитывать значения температуры и понимать, когда они могут измениться. 

Первый фактор — состав сплава. Сталь — это сплав железа с углеродом и легирующими элементами (хром, никель, марганец, молибден). Процентное содержание хрома или углерода влияет на качество металла и температуру плавления.

• Углерод понижает температуру плавления: чем выше его процентное содержание, тем ниже становится точка плавления стали.

• Легирующие элементы могут понижать и повышать температуру — тут все зависит от их характеристик. Например, сталь с высоким содержанием никеля становиться менее восприимчивой к нагреву, чем сплав с вольфрамом.

Чистота и качество сплава — еще одна важная характеристика. Большая процентная доля примесей (сера, фосфор, кислород и др.) существенно изменяет состояние металла и его поведение при нагревании. Примеси нарушают однородность структуры сплава, ослабляют связи между атомами, и температура плавления становится ниже. Чем выше качество стального сплава, тем более стабильны его физико-химические свойства.

У каждого металла — своя форма кристаллической решетки. У каждой из них — свои характеристики и свойства, своя прочность межатомных связей… Все это влияет на термостойкость металла.

То есть температура плавления металла — не фиксированная величина. От процентной доли примесей, формы решетки, углеродистости, чистоты и зависит термостойкость. При проектировании и расчетах этим факторам уделяется особое внимание.

Классификация металлов по температуре плавления 

Температура плавления — важная физическая характеристика: она показывает, насколько легко металл переходит из твердого состояния в жидкое и становится пригодным для обработки. По этому признаку сплавы делят на три группы: легко-, средне-, тугоплавкие.

Легкоплавкие металлы, как ясно по названию, плавятся легко: обычно они  становятся жидкими при +450+500°C. Они не просто легко переходят в жидкое состояние, но и обладают хорошей ковкостью, поэтому могут использоваться в легких конструкциях. Это в целом довольно мягкий металл. К данной категории относятся: 

• свинец (плавится при +327°C);

• олово (плавится при +231°C);

• цинк (плавится при +419°C).

Легкоплавкие мягкие металлы широко используются в производстве аккумуляторов высокого качества.

Среднеплавкие металлы становятся жидкими не так легко. Их температура плавления колеблется в диапазоне от +500°C до +1500°C. Эти сплавы достаточно прочны и устойчивы к воздействию высоких температур — вот почему они используются для изготовления изделий, подверженных умеренным термическим нагрузкам. Среди среднеплавких металлов можно назвать:

• медь (плавится при +1085°C);

• никель (плавится при +1455°C);

• алюминий (плавится при +660°C).

Сплавы используются в автомобильной промышленности, строительстве, а также в производстве электроники.

Тугоплавкие металлы имеют очень высокую температуру плавления, обычно — свыше +1500°C. Их важнейшая характеристика — отличная термостойкость и прочность, поэтому они становятся незаменимы в космической промышленности, авиации и ядерной энергетике. Среди тугоплавких металлов популярны:

• вольфрам (плавится при +3422°C);

• молибден (плавится при +2623°C);

• рений (плавится при +3186°C);

• титан (плавится при +1668°C).

Сплавы необходимы для производства турбин высокого качества, конструкционных деталей для космических аппаратов и пр.

Способы определения температуры плавления 

Для расчета температуры плавления стальных сплавов применяются как физические, так и химические методы. Каждый из них позволяет точно установить тот момент, когда состояние образца меняется и заготовка становится жидкой.

Среди физических методов популярны три.

• Термометрическое измерение. Подойдут любые электронные, термоэлектрические или оптические устройства, способные фиксировать момент достижения точки плавления. 

• Измерение электрического сопротивления. При нагревании металлов их сопротивление изменяется, и можно установить момент перехода в жидкое состояние. С помощью сенсоров фиксируются отклонения сопротивления, которые указывают на начало плавления материала.

• Анализ теплопроводности. По мере нагрева стальных заготовок их способность проводить тепло повышается или понижается. Резкое изменение этих характеристик указывает на фазовый переход из твердого состояния в жидкое .

Если физические методы по каким-то причинам использовать нельзя — можно обратиться к химическим. 

• Термохимические реакции. Метод основан на химическом взаимодействии металла с активными веществами, например, с кислородом. По тому, как протекают окислительные реакции, можно установить температуру фазового перехода.

• Металлографический анализ. В рамках этого метода поверхность стального образца подвергается специальной обработке и анализируется под микроскопом при разных температурах. 

• Тепловой анализ. С помощью тепловых анализаторов можно отслеживать изменение физических и химических данных и производить расчеты.

В ряде случаев методики комбинируются — так можно собрать наиболее достоверные данные.

Формула расчета температуры плавления металла 

С 1999 года в расчетах используется формула, разработанная И. В. Гаврилиным:

Тпл = DHпл / 1,5 N0 k

где:

• Тпл — температура плавления металла;

• DHпл — скрытая теплота плавления;

• N0 ​ — число атомов в моле;

• k — постоянная Больцмана.
  

Этот подход — точнее использованных ранее, он учитывает физико-химические качества сплавов.

Температура плавления разных сортов и марок

Температура, при которой заготовка становится жидкой, зависит от химического состава образца. Прежде всего значение имеет уровень содержания углерода, процентная доля легирующих элементов (например, хрома, никеля, молибдена) и структура кристаллической решетки. 

Например, чем выше углеродистость образца в металле, тем ниже температура плавления. Стали с низкой процентной долей углерода становятся мягкими при +1370 °C. Если процентная доля углерода выше — материал переходит в жидкую фазу и становится мягким при +1520 °C.

Важна не только углеродистость — имеет значение процентная доля легирующих элементов. Температура плавления нержавейки, например, варьируется от +1375 °C до +1530 °C и зависит от конкретной марки.

• Аустенитные марки расплавляются быстро.

• Ферритные и мартенситные марки становятся мягкими не так легко. 

Серебряная сталь — это особый вид высокоуглеродистой инструментальной стали. Он не имеет отношения к серебру, процентная доля Au в нем нулевая. Заготовка становится жидкой при +1500 °C, поэтому материал можно использовать для создания режущих инструментов.

Температура плавления прочих металлов, применяемых в промышленности

Работая с металлами, важно учитывать температуру, при которой они становятся жидкими. Это качество зависит от объема углерода в сплаве, марки, структуры кристаллической решетки. Чтобы определить температуру — используют физические и химические методы, или просто заглядывают в таблицу температур.