Температура кипения чугуна

Температура расплавления, свойства и самостоятельная плавка чугуна

Чугун – сплав на основе железа и углерода. От стали он отличается содержанием последнего – 2% и больше. В отдельных марках содержится до 4% углерода. Чаще всего используют сплав с содержанием углерода 3-3,5%.

Это литейный материал. Для такого металла на первый план выходят такие его свойства, как температура плавления, а также его тепловые свойства – теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность. Как разные химические элементы влияют на качество этого металла и можно ли его плавить самостоятельно – об этом пойдет речь в статье.

Тепловые свойства чугуна

Важная категория физических свойств материала – его тепловые свойства. К ним относятся:

  • Теплоемкость.
  • Теплопроводность.
  • Температуропроводность.
  • Коэффициент теплового расширения.

Все они зависят от состава, структуры, а значит от марки сплава. Кроме того, эти свойства металла меняются с изменением его температуры (так называемое правило смещения). Характер этой зависимости и основные физические свойства приведены в таблице.

Теплоемкость (с)

Это количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы его температура возросла на один Кельвин (далее все величины переведены в градус Цельсия).

Теплоемкость зависит от состава сплава, а также от температуры (Т). Чем выше Т, тем больше теплоемкость. Если температура выше Т фазовых превращений, но ниже Т плавления, то

при Т, превышающей температуру плавления:

с = 0,23±0,03 кал/(Г˚С)

Объемная теплоемкость (отношение теплоемкости к объему вещества) для приблизительных расчетов принята:

  • чугун в твердом состоянии с’ = 1 кал/(см3Г˚С)
  • расплавленный с’ = 1,5 кал/(см3Г˚С)

Теплопроводность (λ)

Это количественная характеристика способности тела проводить тепло. Для теплопроводности не действует правило смещения. Температура материала повышается – λ понижается. Она зависит от состава сплава, а в большей степени от его структуры. Вещества, увеличивающие степень графитизации, повышают теплопроводность, а вещества, препятствующие образованию графита, понижают.

Кстати, теплопроводность расплавленного чугуна намного меньше, чем твердого. Но из-за конвекции она больше, чем λ твердого металла.

Теплопроводность для разных марок лежит в пределах:

λ =0,08…0,13 кал/ (см·сек оС)

Теплопроводность и другие теплофизические свойства в зависимости от температуры сплава приведены в конце раздела.

Температуропроводность (α)

Это физическая величина, показывающая, насколько быстро меняется температура тела. Равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости.

Для приблизительных расчетов можно принять:

α=λ для твердого металла (равна его теплопроводности);

α=0,03 см2/сек для жидкого.

Температура плавления

У этого сплава хорошие литейные свойства. Лучше, чем у стали. Жидкотекучесть высокая, а усадка мала (около 1%). Его можно расплавить при температуре на 300-400 градусов ниже чем у стали. Температура плавления чугуна:

Влияние химических элементов на свойства металла

Какой он бывает

Структура чугуна – это железная основа с графитовыми (углеродными) вкраплениями. Этот материал различают не по составу, а по форме углерода в нем:

  • Белый чугун (БЧ). Содержит карбид (цементит) – это форма углерода, такая же, как в стали. Имеет на сломе беловатый цвет. Очень твердый и хрупкий. В чистом виде почти не используется.
  • Серый чугун (СЧ). Содержит углерод в форме пластинчатого графита. Такие включения плохо влияют на качество материала. Для изменения формы зерен графита существуют специальные методы плавки и дальнейшей обработки. Графит в СЧ может быть и в форме волокон («червеобразная» форма) – так называемый вермикулярный графит (от латинского слова vermiculus – червь, как вермишель).
  • Высокопрочный. Шаровидная форма графитовых зерен. Получают введением в сплав магния.
  • Ковкий чугун. Для получения отжигают БЧ. Графитные зерна в виде хлопьев.

В итоге главное отличие его (кроме белого) от стали — наличие структуре графита. А разная форма графита определяет свойства разных марок.

Условно графитные зерна – это пустоты, трещины, а чугун – это сталь, испещренная микроскопическими трещинами.

Соответственно, чем больше пустот, тем хуже качество металла. Имеет значение также форма и взаиморасположение включений.

Однако нельзя принимать графитные зерна как исключительно вредные. Из-за присутствия графита данный материал легче обрабатывать резанием, стружка становится более ломкой. Кроме того, он хорошо противостоит трению также из-за графита.

Примеси

Конечно, этот металл содержит не только железо и углерод. В него входят те же элементы, что и в стальные сплавы – фосфор, марганец, сера, кремний и другие. Эти добавки косвенно влияют на особенности сплава – они изменяют ход графитизации. Именно от этого параметра и зависят качества материала.

  • Фосфор. Мало влияет на образование графита. Но все равно он нужен, потому как улучшает жидкотекучесть. Твердые включения фосфора обеспечивают высокую твердость и износостойкость металла.
  • Марганец. Мешает графитизации, как бы «отбеливает» чугун.
  • Сера. Как и кремний, способствует отбеливанию металла, да еще и ухудшает жидкотекучесть. Количество серы в сплаве ограничивают. Для мелкого литья не больше 0,08%, для деталей больше – до 0,1-0,12%.
  • Кремний. Сильно влияет на свойства материала, увеличивая графитизацию. В металле может содержаться от 0,3-0,5 до 3-5% кремния. Варьируя количество кремния, получают сплав с разными свойствами – от белого до высокопрочного.
  • Магний. Помогает получить материал с шаровидной формой зерен. Градус кипения магния низкий (1107˚С). По этой и другим причинам ввод магния в сплав затруднителен. Чтобы избежать его кипения, выплавку материала ведут с применением различных способов ввода магния.
Читать еще:  При какой температуре плавится золото

Кроме обычных примесей, чугун может содержать и другие вещества. Это так называемый легированный материал. Хром, молибден, ванадий мешают процессу образования графита. Медь, никель и большинство других веществ, графитизации способствуют.

Технология самостоятельной плавки

Непромышленное выплавление чугуна – процесс очень трудоемкий. Выплавить своими руками отливки заводского качества в кустарных условиях невозможно.

Дома выплавлять этот металл нельзя. Нужно отдельное вентилируемое помещение – гараж, например. Плавку ведут в печах. В промышленности используют доменные печи, вагранки и индукционные печи.

Доменная печь – промышленный агрегат, способный расплавлять металл в огромных масштабах. В ней можно переплавлять железорудное сырье. После запуска она работает без перерыва до 5-6, а то и до 10 лет. Затем ее останавливают, проводят обслуживание и снова запускают. Расплавление металла проходит в присутствии газов для улучшения качества материала. Для малого и среднего производства такие печи не подходят. Топливо – кокс.

Вагранка – печь шахтного типа, как и доменная. От последней она отличается тем, что в ней не поддерживается специальный состав газов. В ней плавят не руду, а железный лом. Она больше подходит для малого производства.

Индукционная печь – современный тип оборудования. Процессом плавки в такой печи можно управлять, регулировать температуру, время нагрева и состав шихты.

Плавку ведут в тиглях из огнеупорной глины или кирпича. Стальные не подходят, хотя сталь начинает плавиться при температуре большей, чем чугун. Обязателен флюс – вещество, способствующее образованию легкоплавкого шлака. Например, известняк (CaCO3), плавиковый шпат (CaF2). Для получения серого, а не белого чугуна в шихту добавляют ферросилиций (сплав железа с кремнием). Он улучшает образования зерен графита. После расплавления металл выливают в песчаную или металлическую форму.

Литье металла – работа взрыво- и пожароопасная. Кроме того, необходимо обладать определенными знаниями в области металлургии. Для организации производства нужно будет оформить документацию, пройти проверки, получить разрешение и лицензию на работу.

Рекомендуем также к прочтению:

Чугун: температура плавления материала

Чугуном назван сплав железа, в котором содержится более 2% углерода. Помимо этих компонентов, в смеси присутствуют постоянные вещества, такие как сера, кремний, фосфор, марганец и легирующие добавки. Материал подразделяется на разные виды в зависимости от сплава, который определяется по структуре излома. Чугун имеет до ста разных марок, среди них выделяется литейный, он отличается от остальных:текстурой, назначением и технологией получения.

Классификация материала

Данный материал более хрупкий, нежели сталь. Он способен разрушаться без заметных деформаций. Углерод в сплаве имеет вид графита и цементита либо каждое вещество представлено по отдельности. Разновидности чугуна появляются в связи с их формой и количеством:

  • Белый. Весь углерод находится в виде цементита. Данный цвет у материала виден на изломе. Его можно охарактеризовать как хрупкий, но твердый. Его обрабатывают, главным образом, для получения ковкой разновидности.
  • Серый. Углерод в виде пластичной формы графита. Характеризуется как мягкий, хорошо поддающийся обработке, при которой используются низкие температуры плавления.
  • Ковкий. Этот тип назван условно, так как материал не подвергается ковке. Данный вид получается в результате продолжительного обжига белого, после чего образуется графит. На свойства материала негативно влияет нагрев более 900 градусов, а также скорость охлаждения графита. В результате чего затрудняется процесс сварки и обработки.
  • Высокопрочный. В нем содержится шаровидный графит, который образуется посредством кристаллизации.

Отличия стали от чугуна

Разница материалов выражается в следующем:

  • Чугун менее тверд и прочен, чем сталь.
  • Сталь тяжелее и имеет более высокую температуру плавления.
  • Так как в стали более низкое содержание углерода, она лучше поддается обработке (ковке, резке, сварке, прокатке). По этой причине изделия из чугуна делают способом литья.
  • Чугунные изделия пористые (из-за литья), поэтому теплопроводность их ниже.
  • Художественные изделия из стали обладают блеском и блестят, из чугуна они черные и матовые.
  • Чугун — это первичный продукт черной металлургии, а сталь — конечный.
  • Сталь, как правило, подвергают процедуре закалки.
  • Изделия из чугуна получаются в процессе литья, а стальные изделия бывают коваными и сварными.

Чугун: температура плавления

Плюсы материала

У этого материала хорошие литейные свойства, обладает неплохой жидкотекучестью, более низкой температурой плавления по сравнению со сталью и ковким чугуном. Данные свойства учитывают при изготовлении формы.

Чаще всего применяют для сварки материала с латунью газообразный флюс. Также используют чугунные прутки с медным покрытием, которые улучшают смачиваемость окантовки наплавляемым металлом. Применяют прутки из эвтектического чугуна, его температура плавления находится в диапазоне 1050 — 1200 градусов. Сварка происходит и благодаря флюсам, которые употребляются в виде пасты. Если отсутствуют специальные чугунные прутки или латунь Л-62, то трещины в деталях из данного материала можно заварить проволокой, которая сделана из электролитической красной меди.

Значительно выше температуры плавления перегрев чугуна, что приводит к тому, что эти взвешенные частицы растворяются, возможно, не полностью, а это затрудняет образование графита. В ряде случаев он может возникнуть при добавлении к чугуну различных веществ, отчего возникнут дополнительные центры кристаллизации графита.

Читать еще:  Температура кипения платины

Чугун имеет лучшие литейные свойства, если его сравнивать со сталью. Удобство в работе, а также хорошая жидкотекучесть и заполняемость формы обеспечивается благодаря более низкой температуре плавления и завершающему процессу кристаллизации при постоянной температуре.

Вышеперечисленные преимущества чугуна превращают материал в ценный конструктивный материал, который широко применяется в деталях машин, когда они не подвергаются значительным растягивающим и ударным нагрузкам.

Температура плавления полусинтетического материала

Полусинтетический чугун плавится посредством плавления шихты, при этом диапазон температуры колеблется в промежутке 1400-1450 градусов. После расплавления шихты хранение чугуна в тигле печи осуществляется при незначительном перегреве, не превышающем температуру плавления на сто градусов. Что нужно делать чтобы создался шлаковый покров? Когда шихта постепенно начнет расплавляться, на зеркало металла нужно давать бой стекла либо прокаленный кварцевый песок.

Виды сварок

Реализовать газовую сварку следует за счет оплавления пламенем частей соединяемых элементов и прутка из присадочного металла. Данная сварка используется для того, чтобы соединить металлические детали, неметаллические элементы и сплавы, которые имеют различную температуру плавления, при этом толщина должна быть не более 30 мм. Чтобы ее устроить не нужно прибегать к помощи электроэнергии.

Широко применяется электродуговая сварка. Благодаря электрической дуге оплавленный металл, который соединяет в себе различные элементы, вступает во взаимодействие с металлом электрода, образуя прочный шов. Чтобы шов не окислился, электрод покрывают защитным веществом, например, для этого используют флюс или инертные газы (аргон, гелий). Электродуговой сваркой посредством различных методов действия (вручную, на полуавтоматах и автоматах) производят соединение деталей из чугуна, конструкционных сталей, медных, алюминиевых и других сплавов.

От углерода, который содержится в составе материала, зависит температура плавления. Чем его больше, тем температура ниже, а текучесть при нагреве выше. Из этого можно заключить, что материал жидкотекучий, хрупкий, непластичный и трудно поддается обработке. Его удельный вес равен 6,9 Г/см3. Температура плавления находится в интервале 1150-1250 градусов.

Температура плавления нержавеющей стали и чугуна

Сталь — это сплав железа, к которому примешивают углерод. Её главная польза в строительстве — прочность, ведь это вещество длительное время сохраняет объем и форму. Все дело в том, что частицы тела находятся в положении равновесия. В этом случае сила притяжения и сила отталкивания между частицами являются равными. Частицы находятся в чётко обозначенном порядке.

Есть четыре вида этого материала: обычная, легированная, низколегированная, высоколегированная сталь. Они отличаются количеством добавок в своём составе. В обычной содержится малое количество, а дальше возрастает. Используют следующие добавки:

Температуры плавления стали

При определённых условиях твёрдые тела плавятся, то есть переходят в жидкое состояние. Каждое вещество делает это при определённой температуре.

  • Плавление — это процесс перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое.
  • Температура плавления — это температура, при которой твёрдое кристаллическое вещество плавится, переходит в жидкое состояние. Обозначается t.

Физики используют определённую таблицу плавления и кристаллизации, которая приведена ниже:

Вещество t,°C Вещество t,°C Вещество t,°C
Алюминий 660 Медь 1087 Спирт — 115
Водень — 256 Нафталин 80 Чугун 1200
Вольфрам 3387 Олово 232 Сталь 1400
Железо 1535 Парафин 55 Титан 1660
Золото 1065 Ртуть — 39 Цинк 420

На основании таблицы можно смело сказать, что температура плавления стали равна 1400 °C.

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь — это один из многих железных сплавов, которые содержатся в стали. Она содержит в себе Хром от 15 до 30%, который делает её ржаво-устойчивой, создавая защитный слой оксида на поверхности, и углерод. Самые популярные марки такой стали зарубежные. Это 300-я и 400-я серии. Они отличаются своей прочностью, устойчивостью к неблагоприятным условиям и пластичностью. 200-я серия менее качественная, но более дешёвая. Это и является выгодным для производителя фактором. Впервые её состав заметил в 1913 году Гарри Бреарли, который проводил над сталью много разных экспериментов.

На данный момент нержавейку разделяют на три группы:

  • Жаропрочная — при высоких температурах имеет высокую механическую прочность и устойчивость. Детали, которые из неё изготавливаются применяют в сферах фармацевтики, ракетной отрасли, текстильной промышленности.
  • Ржаво-стойкая — имеет большую стойкость к процессам ржавления. Её используют в бытовых и медицинских приборах, а также в машиностроении для изготовления деталей.
  • Жаростойкая — является устойчивой при коррозии в высоких температурах, подходит для использования на химических заводах.

Температура плавления нержавеющей стали колеблется в зависимости от её марки и количества сплавов приблизительно от 1300 °C до 1400 °C.

Чугун и сталь

Чугун — это сплав углерода и железа, он содержит примеси марганца, кремния, серы и фосфора. Выдерживает невысокие напряжения и нагрузки. Один из его многочисленных плюсов — это невысокая стоимость для потребителей. Чугун бывает четырех видов:

  • Белый — имеет высокую прочность и плохую способность к обработке ножом. Виды сплава по увеличению количества углерода в составе: доэвтектический, эвтектический, заэвтектический. Его назвали белым из-за того, что в разломе он имеет белый цвет. А также белый чугун обладает особым строением металлической массы и большой изностойкостью. Полезен в изготовлении механических деталей, которые будут работать в среде с отсутствием смазки. Его используют для изготовления приведённых ниже видов чугуна.
  • Серый чугун — содержит углерод, кремний, марганец, фосфор и немного серы. Его можно легко получить, и он имеет плохие механические свойства. Используется для изготовления деталей, которые не подвергаются воздействию ударных нагрузок. В изломе есть серый цвет, чем он темнее, тем материал мягче. Свойства серого чугуна зависят от температуры среды, в которой он находится, и количества разных примесей.
  • Ковкий чугун — получают из белого в результате томления (длительного нагрева и выдержки). В состав вещества входят: углерод, кремний, марганец, фосфор, небольшое количество серы. Является более прочным и пластичным, легче поддаётся обработке.
  • Высокопрочный чугун — это самый прочный из всех видов чугунов. Содержит в себе углерод, марганец, серу, фосфор, кремний. Имеет большую ударную вязкость. Из такого важного металла делают поршни, коленчатые валы и трубы.
Читать еще:  Прибор для измерения температуры бесконтактным методом

Температуры плавления стали и чугуна отличаются, как утверждает таблица, приведённая выше. Сталь имеет более высокую прочность и устойчивость к высоким температурам, чем чугун, температуры отличаются на целых 200 градусов. У чугуна это число колеблется приблизительно от 1100 до 1200 градусов в зависимости от содержащихся в нем примесей.

Температура кипения и плавления металлов. Температура плавления стали

Температура кипения и плавления металлов

В таблице представлена температура плавления металлов tпл, их температура кипения tк при атмосферном давлении, плотность металлов ρ при 25°С и теплопроводность λ при 27°С.

Температура плавления металлов, а также их плотность и теплопроводность приведены в таблице для следующих металлов: актиний Ac, серебро Ag, алюминий Al, золото Au, барий Ba, берилий Be, висмут Bi, кальций Ca, кадмий Cd, кобальт Co, хром Cr, цезий Cs, медь Cu, железо Fe, галлий Ga, гафний Hf, ртуть Hg, индий In, иридий Ir, калий K, литий Li, магний Mg, марганец Mn, молибден Mo, натрий Na, ниобий Nb, никель Ni, нептуний Np, осмий Os, протактиний Pa, свинец Pb, палладий Pd, полоний Po, платина Pt, плутоний Pu, радий Ra, рубидий Pb, рений Re, родий Rh, рутений Ru, сурьма Sb, олово Sn, стронций Sr, тантал Ta, технеций Tc, торий Th, титан Ti, таллий Tl, уран U, ванадий V, вольфрам W, цинк Zn, цирконий Zr.

По данным таблицы видно, что температура плавления металлов изменяется в широком диапазоне (от -38,83°С у ртути до 3422°С у вольфрама). Низкой положительной температурой плавления обладают такие металлы, как литий (18,05°С), цезий (28,44°С), рубидий (39,3°С) и другие щелочные металлы.

Наиболее тугоплавкими являются следующие металлы: гафний, иридий, молибден, ниобий, осмий, рений, рутений, тантал, технеций, вольфрам. Температура плавления этих металлов выше 2000°С.

Приведем примеры температуры плавления металлов, широко применяемых в промышленности и в быту:

  • температура плавления алюминия 660,32 °С;
  • температура плавления меди 1084,62 °С;
  • температура плавления свинца 327,46 °С;
  • температура плавления золота 1064,18 °С;
  • температура плавления олова 231,93 °С;
  • температура плавления серебра 961,78 °С;
  • температура плавления ртути -38,83°С.

Максимальной температурой кипения из металлов, представленных в таблице, обладает рений Re — она составляет 5596°С. Также высокими температурами кипения обладают металлы, относящиеся к группе с высокой температурой плавления.

Плотность металлов в таблице находится в диапазоне от 0,534 до 22,59 г/см 3 , то есть самым легким металлом является литий, а самым тяжелым металлом осмий. Следует отметить, что осмий имеет плотность большую, чем плотность урана и даже плутония при комнатной температуре.

Теплопроводность металлов в таблице изменяется от 6,3 до 427 Вт/(м·град), таким образом хуже всего проводит тепло такой металл, как нептуний, а лучшим теплопроводящим металлом является серебро.

Температура плавления стали

Представлена таблица значений температуры плавления стали распространенных марок. Рассмотрены стали для отливок, конструкционные, жаропрочные, углеродистые и другие классы сталей.

Температура плавления стали находится в диапазоне от 1350 до 1535°С. Стали в таблице расположены в порядке возрастания их температуры плавления.

Температура плавления стали — таблица

Сталь tпл, °С Сталь tпл, °С
Стали для отливок Х28Л и Х34Л 1350 Коррозионно-стойкая жаропрочная 12Х18Н9Т 1425
Сталь конструкционная 12Х18Н10Т 1400 Жаропрочная высоколегированная 20Х23Н13 1440
Жаропрочная высоколегированная 20Х20Н14С2 1400 Жаропрочная высоколегированная 40Х10С2М 1480
Жаропрочная высоколегированная 20Х25Н20С2 1400 Сталь коррозионно-стойкая Х25С3Н (ЭИ261) 1480
Сталь конструкционная 12Х18Н10 1410 Жаропрочная высоколегированная 40Х9С2 (ЭСХ8) 1480
Коррозионно-стойкая жаропрочная 12Х18Н9 1410 Коррозионно-стойкие обыкновенные 95Х18…15Х28 1500
Сталь жаропрочная Х20Н35 1410 Коррозионно-стойкая жаропрочная 15Х25Т (ЭИ439) 1500
Жаропрочная высоколегированная 20Х23Н18 (ЭИ417) 1415 Углеродистые стали 1535
  1. Волков А. И., Жарский И. М. Большой химический справочник. — М: Советская школа, 2005. — 608 с.
  2. Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.
  3. Физические величины. Справочник. А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector