ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Температура плавления и плотность металлов и сплавов

Температура плавления металла (сплава) во многом предопределяет способ его плавки. В зависимости от величины температуры плавления выбирают тип плавильной печи. Температура плавления и состав сплава определяют материал футеровки плавильной печи или тигля, а также материал литейной формы. При этом необходимо учитывать, что расплав обычно перегревается выше точки плавления металла или выше точки ликвидуса сплава примерно на 150...200 °С.

Как видно из табл. 2.1, температуры плавления металлов различаются очень значительно: от -39 (ртуть) до 3400 °С (вольфрам).

Плотность металлов необходима для вычисления массы отливок но их геометрическим размерам, обозначаемым на чертежах. Вычисление массы расплава, заключенной в плавильной ванне или тигле, также невозможно без знания плотности этого расплава. В некоторых случаях приходится решать обратную задачу - определить объем расплава по его массе.

Из приведенных в табл. 2.1 металлов самым легким является литий, который примерно в два раза легче воды. Металлами с наибольшей плотностью (19 300 кг/м³) являются вольфрам и золото. Наибольшей плотностью обладают платина, иридий, осмий, у которых плотность (кг/м³) соответственно составляет: 2145; 2240; 2250.

С повышением температуры плотность всех металлов в твердом состоянии уменьшается. У большинства металлов нагрев ог комнатной температуры до температуры плавления вызывает уменьшение плотности на 3...6 % по отношению к плотности при 20 °С. Переход металла в жидкое состояние сопровождается в большинстве случаев увеличением объема и соответствующим уменьшением плотности. Существует, однако, несколько металлов и неметаллов, у которых наблюдается обратное изменение плотности при плавлении. Так, галлий, висмут, сурьма, германий и кремний при плавлении уменьшаются в объеме, т.е. ведут себя подобно воде. Повышение температуры жидкого металла вызывает дальнейшее уменьшение его плотности.

Таблица 2.1

'Изменение плотности при кристаллизации: Др = [(р_|В - р_ж)/р_тв]-100, значения р_тв и р_ж приведены при температуре кристаллизации (плавления).

"В жидком состоянии.

Строго говоря, график функции р = f(t) не является прямой линией ни для твердого, ни для жидкого состояния металла. Однако для технических расчетов вполне можно пользоваться приводимыми в справочниках зависимостями вида р₍ = ро(1 - bt), где b - постоянный коэффициент. Наряду с плотностью используется обратная величина V = 1/р, называемая удельным объемом, которая считается также линейно зависящей от температуры Vt = Vo(l + bt). Естественно, удельный объем увеличивается с ростом температуры.

Переходя к плотности сплавов, надо отметить, что сплавы как в твердом, гак и в жидком состоянии не являются совершенными растворами, и сплавление всегда сопряжено с изменением объема. Как правило, отмечается уменьшение объема сплава в сравнении с суммарным объемом чистых компонентов. Однако для технических расчетов этим можно пренебречь, и плотность сплава в твердом или жидком состоянии можно определять ио значениям плотности компонентов с учетом их содержания в сплаве.

Если сплав состоит из компонентов А, В, С, содержание которых в массовых процентах составляет Хд, Xg, Хс, плотность этого сплава равна

где рд, рв, рс - плотности компонентов сплава.

Приведенную зависимость можно выразить через удельные объемы

Из сравнения этих двух выражений следует, что аддитивной величиной, т.е. прямо зависящей от состава сплава в массовых процентах, является не плотность р, а удельный объем V = 1/р.

Изменение плотности жидкого металла при охлаждении и в процессе кристаллизации предопределяет важнейшее литейное свойство - объемную усадку, которая проявляется в отливках в виде усадочных раковин и усадочной пористости. В отливках из металлов и сплавов, увеличивающихся в объеме при кристаллизации, обнаруживается не усадка, а гак называемый рост - выдавливание расплава на поверхность литой заготовки.