Розповідаючи про ключові властивості металевої продукції не можна не згадати про таку важливу фізичну величину як температура плавлення. Інформація про точні температурні показники металів і сплавів є критично важливою для промисловості. Від них залежить вибір методу та параметрів термічної обробки, розрахунок енерговитрат плавильних печей, сумісність матеріалів при зварюванні та технологічні особливості ливарних операцій. Помилка у визначенні межі плавлення може призвести до браку продукції або руйнування вже готових виробів під робочим навантаженням.
Що таке температура плавлення
Температура плавлення (англ. melting temperature) – це температура рівноважного фазового переходу твердого (кристалічного) тіла в рідкий стан при постійному зовнішньому тиску. Під час цього процесу теплота, що підводиться до матеріалу, витрачається на руйнування його кристалічної ґратки, тому температура залишається незмінною до повного розрідження зразка.
В теоретичній фізиці цей показник дзеркально збігається з точкою кристалізації, коли розплав навпаки твердішає під час охолодження. На практиці це твердження працює лише для чистих речовин. У сумішей та сплавів реальна температура кристалізації знаходиться нижче точки плавлення. Твердіння починається при деякому переохолодженні нижче температури плавлення. Чим більша швидкість охолодження, тим більший ступінь переохолодження потрібний для старту та завершення процесу кристалізації. Але звичайно він не перевищує 10-30°С.
Також не слід плутати терміни «температура плавлення» і «температура кипіння металу». Остання характеризує перехід рідкого розплаву в газоподібний стан і для металевих виробів суттєво відрізняється від точки плавлення чи кристалізації. Наприклад, температура плавлення титану складає 1668°С, а от кипіти він починає аж при 3287°С.
.jpg)
Що впливає на температуру плавлення металу
Фізичні властивості матеріалів не є абсолютно статичними. На температурний поріг переходу в рідку фазу впливають багато чинників, серед яких ключовими є:
- Зовнішній тиск. Для більшості металів із значним збільшенням тиску температура плавлення підвищується. Це відбувається тому, що за умов надвисокого тиску міжатомна відстань зменшується, через це потрібно більше теплової енергії для руйнування структури й переходу в рідкий стан. Але тут є й винятки: деякі метали (сурма, бісмут) в рідкому стані мають менший об’єм, ніж в твердому. Тому в них із підвищенням тиску точка плавлення буде навпаки знижуватися.
- Чистота металу. Навіть незначні домішки послаблюють внутрішні міжатомні зв'язки в кристалічній ґратці. Абсолютно чисті метали мають чітку точку плавлення, тоді як технічні хімічні матеріали, в яких є певні сторонні добавки, переходять у рідкий стан в інтервалі температур.
- Хімічний склад сплаву. Поєднання кількох компонентів суттєво змінює температуру плавлення порівняно з чистими металами. Прикладом є евтектичні суміші, які плавляться за значно нижчих показників, ніж їхні окремі складові. Також в якості прикладу слід згадати легування сталі, коли в розплав, на додачу до основних компонентів, спеціально вводять такі легуючі елементи як титан, марганець, хром тощо. Легуванням можна суттєво підвищити точку плавлення сталі та забезпечити їй міцність за кімнатної та підвищених температур. Можливо також досягти й зворотного ефекту: додати легкоплавкі компоненти й покращити ливарні показники сплаву.
Щоб проілюструвати останній пункт, пропоную розглянути наступний приклад. Температура плавлення міді (Cu) становить 1083°С. Температура плавлення цинку (Zn) в чистому вигляді 419°С. Одним з найпопулярніших сплавів на основі цих двох елементів є латунь. І ось температура плавлення латуні марки Л63, яка містить 37% Zn, складає біля 906°С. Температура плавлення бронзи марки БрОЦ4-3, іншого сплаву на основі міді, який вміщує 2,7-3,3% цинку та 3,5-4,0% олова складає 1045°С. Тож, як бачимо, точка переходу в рідкий стан у сплавів суттєво відрізняється від чистих компонентів.
.jpg)
Температури плавлення металів різних груп
Тугоплавкі метали та сплави
До цієї групи відносяться всі металеві хімічні елементи, точка плавлення яких знаходиться вище за аналогічний показник заліза (тобто понад 1539°С). Такі метали використовуються як самостійні основи, як складові відповідних сплавів або як легуючі елементи в сталях. Звичайно до цієї групи не включають групи урану та платини й певні рідкоземельні метали.
Головними представниками тугоплавкого асортименту традиційно вважають титан (Ti), молібден (Mo), тантал (Ta), ванадій (V), ніобій (Nb), вольфрам (W), цирконій (Zr). Тугоплавкі метали мають високу міцність як за кімнатної температури, так й при високотемпературному нагріванні, високу густину й незначний коефіцієнт теплового розширення.
Легкоплавкі метали та сплави
В світовій металургійній практиці є певні розбіжності в класифікації легкоплавких металів та сплавів. Одні вважають легкоплавкими тільки ті елементи та металеві сполуки, які мають температуру плавлення нижчу за чисте олово (232°С). У цьому випадку до легкоплавких можна віднести тільки ртуть (вона ж «меркурій» та «гідраргірум», Hg), галій (Ga), індій (In), власне олово (Sn) та деякі сплави на їхній основі.
Інші включають в цю категорію матеріали, що мають точку переходу з твердого стану до рідкого за температур нижче 600°С. Якщо йти цим шляхом, то на додачу до вищенаведених елементів склад легкоплавких металів поповнюють кадмій (Cd), цинк, свинець (Pb), талій (Tl), сурма (її також в українській літературі називають «стибій», Sb), бісмут (Bi) тощо.
Найбільш легкоплавким чистим металом є ртуть. Його температура плавлення складає мінус 38,89°С. Це єдиний рідкий метал, що існує за нормальних атмосферних умов. За кімнатної температури ртуть є важкою сріблясто-білою рідиною, випаровування якої отруйні.
Середньоплавкі метали та сплави
Одразу скажу, що такої класифікаційної категорії як «середньоплавкі» в офіційній металургійній документації не існує. Це умовна група, до неї відносять всі інші хімічні елементи та сплави, які не потрапили в дві вищенаведені категорії та мають температуру плавлення в діапазоні між легкоплавкими та тугоплавкими (звичайно вище 600°С та нижче 1539°С). Сюди включають мідь, алюміній, магній (Mg), залізо (Fe), нікель (Ni) та багато інших металів та сплавів на їхній основі.
Таблиця температури плавлення металів і сплавів
| Матеріал | Вид матеріалу | Температура плавлення, °C |
|---|---|---|
| Ртуть (Hg) | Чистий метал | -38,9 |
| Галій (Ga) | Чистий метал | 29,8 |
| Індій (In) | Чистий метал | 156,6 |
| Олово (Sn) | Чистий метал | 231,9 |
| Цинк (Zn) | Чистий метал | 419,5 |
| Магній (Mg) | Чистий метал | 650,0 |
| Алюміній (Al) | Чистий метал | 660,3 |
| Латунь (Л63) | Мідний сплав |
906,0 – 930,0 (залежить від фактичного хімічного складу) |
| Мідь | Чистий метал | 1084,6 |
| S235JR | Сплав заліза з вуглецем |
1420-1460 (залежить від фактичного хімічного складу) |
| Залізо (Fe) | Чистий метал | 1539 |
| Титан | Чистий метал | 1668 |
| Вольфрам | Чистий метал | 3422 |
В таблиці наведені довідкові значення для хімічно чистих металів. Слід зазначити, що в металургійній галузі більш розповсюджені матеріали так званої «технічної чистоти» - метали промислового виробництва, які містять незначну кількість супутніх домішок. Такі метали дешевші за хімічно чисті при тому, що їхні ключові властивості зберігаються. Точки плавлення «чистого» та «технічно чистого» металу дещо відрізняються. Наприклад, температура плавлення алюмінію хімічної чистоти складає 660,3°С, а його технічно чистого аналогу зазвичай становить в діапазоні 650-658°С.
Сплави також не мають статичного значення точки переходу в рідкий стан. Вона залежить від фактичного хімічного складу. Одна марка сталі не може характеризувати все різноманіття залізовуглецевих сплавів, оскільки вони можуть вміщувати принципово різні легуючі елементи.
_1.jpg)
Де важлива температура плавлення на практиці
У багатьох промислових секторах точні теплові параметри визначають побудову всього технологічного циклу. На базі цих даних розробляється термічне устаткування, визначається температурний режим обробки та інші нюанси виробництва й подальшої експлуатації металів та сплавів. Нижче наведені тільки декілька напрямків, для яких вкрай важлива температура плавлення:
- Ливарне виробництво. Для створення виливків рідка маса повинна мати високу плинність. Наприклад, порівняно низька температура плавлення чавуну (для багатьох марок вона складає 1150–1250 °C) робить його кращим ливарним матеріалом, ніж чисте залізо, оскільки він легше заповнює складні форми.
- Зварювальні роботи. При з'єднанні деталей важливо підбирати зварювальний дріт чи електроди із сумісними показниками. Зокрема, якщо температура плавлення нержавіючої сталі не буде врахована при виборі режиму дуги, зварний шов вийде крихким або відбудеться пропалювання стінок конструкції.
- Металообробка та гаряче штампування. Знання точок розм'якшення допомагає визначити оптимальний температурний коридор для зміни форми заготовок без руйнування їхньої внутрішньої структури.
Часті запитання
⭕️ Яка температура плавлення сталі?
Орієнтовний діапазон температур плавлення сталі становить від 1400°C до 1540°C. Конкретне значення залежить від концентрації вуглецю, вмісту легуючих компонентів. В нелегованій сталі зі збільшенням відсотка вуглецю температура плавлення знижується. В той самий час температура плавлення нержавіючої сталі може змінюватися у різних напрямках, що залежить від конкретних легуючих, які додаються до її складу (одні хімічні елементи підвищують точку переходу, інші – навпаки знижують).
⭕️ Яка температура плавлення заліза?
Для заліза як чистого хімічного елемента температура плавлення знаходиться на позначці 1539°C. Технічне залізо вміщує певну кількість домішок, для цього матеріалу точка переходу з твердого стану в рідкий може варіюватися в межах 1480-1565°C.
⭕️ Що має вищу температуру плавлення: сталь чи чавун?
Сталь має вищу температуру плавлення. Чавун містить у своєму складі понад 2,14% вуглецю, що суттєво зміщує його температурні характеристики вниз. Температура плавлення чавуну, в залежності від конкретного вмісту вуглецю та наявності домішок, звичайно знаходиться в інтервалі 1150–1400 °C.
⭕️ Чи можна розплавити сталь у домашніх умовах?
Категорично не рекомендуємо експериментувати з цим! Розплавити сталь у звичайних домашніх умовах без спеціального обладнання неможливо. Для цього потрібно як використання металургійних печей, так й забезпечення необхідними енергетичними ресурсами та інструментом. Також треба не забувати про охорону праці та техніку безпеки.
⭕️ Чи впливає температура плавлення на жаростійкість металу?
Висока температура плавлення сама по собі не гарантує захисту від високотемпературної корозії. Ключову роль в цьому процесі відіграє не стільки фізичний перехід металу з твердого стану в рідкий, скільки його здатність утворювати на поверхні оксидну плівку, яка захищає серцевину від руйнування при високотемпературному нагріванні.
