Учимся плавить аллюминий

Характеристики алюминия

Чтобы правильно плавить металл, необходимо учитывать температуру плавки алюминия. Чистый сплав легко плавится уже при +660°С, а оксидная пленка только при +2300°С. Опасно самостоятельно плавить порошок, он способен воспламениться. Кусочки алюминия плавят сухими, вода в расплаве способна спровоцировать взрыв.

О температуре плавления

Необходимо помнить: алюминий очень легко поддается литью и начинает превращаться в жидкую субстанцию уже при температуре в 660 градусов. Для того чтобы понять, что этот показатель довольно низкий, достаточно сравнить его с температурами плавления других металлов, которые также нередко используются для изготовления тех или иных, нужных в обиходе предметов.

Например:

  • сталь начинает плавиться лишь при температуре в 1300 градусов;
  • чугун — при 1100 градусах.

Но все же, хоть температура плавления алюминия по Цельсию и не слишком высока по сравнению со многими другими металлами, достичь 600 градусов в домашних условиях с использованием обыкновенной газовой или электрической плиты довольно трудно.

Уменьшение температуры

При какой температуре плавится алюминий

Прежде чем подвергать металл плавлению, можно специальными методами уменьшить его температуру плавления, например, использовать в виде порошка. В этом случае он начнет плавиться чуть быстрее. Но при этом он становится опасным, так как взаимодействуя с атмосферным кислородом, может окислиться или воспламениться. А в результате окисления, как мы помним из школьного курса химии, образуется оксид алюминия; и температура, при которой начинает плавиться это вещество, уже превышает две тысячи градусов.

Вообще избежать образования оксида не получится, если заниматься плавлением алюминия, но уменьшить количество лишнего вещества вполне возможно. При плавлении алюминия нужно не допускать попадания в вещество воды. Ведь если это случится, то произойдет взрыв.

Перед началом процесса нужно убедиться в том, что сырье является абсолютно сухим. Чаще всего в качестве исходного материала применяется алюминиевая проволока. Предварительно ее нужно с помощью ножниц разделить на множество мелких по длине кусочков. А для того, чтобы уменьшить площадь контакта с содержащимся в атмосфере кислородом, эти кусочки прессуются пассатижами.

Не всегда есть необходимость создать алюминиевое изделие высокого качества, поэтому вовсе не обязательно всегда использовать порошок или мелко нарезанную и плотно сдавленную проволоку. Можно взять любой предмет, который уже был использован, например, банку, в которой хранились консервы. Но перед плавкой нужно лишить ее нижнего шва или обрезать профиль. Полученное сырье может быть окрашено или испачкано. Не нужно об этом беспокоиться. Все, что имеется лишнее на поверхности, быстро отходит в виде шлаков.

Температура плавления чистого алюминия

Плавление алюминия, как и других веществ, происходит при подводе к нему тепловой энергии, снаружи или непосредственно в его объём, как это происходит, например, при индукционном нагреве.

Температура плавления алюминия зависит от его чистоты:

  • Температура плавления сверхчистого алюминия 99,996 %: 660,37 °С.
  • При содержании алюминия 99,5 %  плавление начинается при 657 °С.
  • При содержании алюминия 99,0 % плавление начинается при 643 °С.

Температура плавления металлов

Металлы и неметаллы

Любой кусок металла, например, алюминия, содержит миллионы отдельных кристаллов, которые называются зернами. Каждое зерно имеет свою уникальную ориентацию атомной решетки, но все вместе зерна ориентированы внутри этого куска случайным образом. Такая структура называется поликристаллической.

Аморфные материалы, например, стекло,  отличаются от кристаллических материалов, например, алюминия, по двум важным отличиям, которые связаны друг с другом:

  • отсутствие дальнего порядка молекулярной структуры
  • различия в характере плавления и термического расширения.

Различие молекулярной структуры можно видеть на рисунке 1. Слева показана плотно упакованная и упорядоченная кристаллическая структура. Аморфный материал показан справа: менее плотная структура со случайным расположением атомов.

Различие структуры кристаллических и аморфных материалов

Рисунок 1 – Структура кристаллических (а) и аморфных (б)  материалов.
Кристаллическая структура: упорядоченная, повторяющаяся и плотная,
аморфная структура – более свободно упакованная
с беспорядочным расположением атомов.

Плавление металлов

Это различие в структуре проявляется при плавлении металлов, в том числе, плавлении алюминия различной чистоты и его сплавов. Менее плотно упакованные атомы дают увеличение объема (снижение плотности) по сравнению с тем же металлом в твердом кристаллическом состоянии.

Металлы при плавлении испытывают увеличение объема. У чистых металлов это объемное изменение происходит весьма резко и при постоянной температуре – температуре плавления, как это показано на рисунке 2. Это изменение представляет собой разрыв между наклонными линиями по обе стороны от точки плавления. Обе эти наклонные линии характеризуют температурное расширение металла, которое обычно является различным в жидком и твердом состоянии.

Кривые нагрева чистого кристаллического материала (чистого алюминия) и аморфного материала

Рисунок 2 – Характерное изменение объема чистого металла
по сравнению с изменением объема аморфного материала [4]:
Tg – температура стеклования (перехода жидкого состояния в твердое);
Tm – температура плавления

Теплота плавления

С этим резким увеличением объема при переходе металла из твердого состояния в жидкое  связано определенное количество тепла, которое называется скрытой теплотой плавления. Это тепло заставляет атомы терять плотную и упорядоченное кристаллическую структуру. Этот процесс является обратимым, он работает в обоих направлениях – и при нагреве, и при охлаждении.

Равновесная температура плавления

Как было показано выше, чистые кристаллические вещества, например, чистые металлы, имеют характерную температуру плавления, которую часто называют «точкой плавления».  При этой температуре это чистое твердое кристаллическое вещество плавится и становится жидкостью. Переход между твердым и жидким состоянием для малых образцов чистых металлов настолько мал, что может измеряться с точностью 0,1 ºС.

Жидкости имеют характерную температуру, при которой они превращаются в твердое вещество. Эту температуру называют температурой затвердевания или точкой затвердевания. Теоретически – в равновесных условиях – равновесная температура плавления твердого вещества является той же самой, что и равновесная температура его затвердевания. На практике можно наблюдать небольшие различия между этими величинами (рисунок 3).

Температура плавления/затвердевания на кривых нагрева и охлаждения чистого металла, например, чистого алюминия

Рисунок 3 –  Кривые охлаждения и нагрева чистого металла.
Видны явления переохлаждения при охлаждении и перегрева при нагреве.
В начале затвердевания наблюдается впадина на кривой охлаждения,
что объясняется замедленным началом кристаллизации [4]

Температуры ликвидус и солидус

  • Температура начала плавления называется температурой солидус (или точкой солидус)
  • Температура окончания плавления – температурой ликвидус (или точкой ликвидус).

«Солидус» означает, понятно, твердый, а «ликвидус» – жидкий: при температуре солидуса весь сплав еще твердый, а при температуре ликвидуса – весь уже жидкий.

При затвердевании этого сплава из жидкого состояния температура начала кристаллизации (затвердевания) будет та же температурой ликвидус, а окончания кристаллизации – та же температура солидус. При температуре сплава между его температурами солидуса и ликвидуса он находится в полужидком-полутвердом, кашеобразном состоянии.

Плавление алюминия

Влияние легирующих элементов и примесей

Добавление в алюминий других элементов, в том числе легирующих, снижает температуру его плавления, точнее – начала его плавления. Так, у некоторых литейных алюминиевых сплавов с большим содержанием кремния и магния температура начала плавления снижается почти до 500 °С. Вообще, понятие «температура плавления» распространяется только на чистые металлы и другие кристаллические вещества. У сплавов же нет определённой температуры плавления: процесс их плавления (и затвердевания) происходит в некотором интервале температур.

Плавление чистого алюминия и алюминиевого сплава - кривые нагрева

Рисунок 4- Изменение удельного объема чистого металла (алюминия) и
сплава этого металла (алюминиевого сплава) [4]

Интервалы температуры плавления

В таблице ниже представлены температуры ликвидуса и солидуса некоторых промышленных деформируемых сплавов. Необходимо иметь в виду, что понятия температур солидус и ликвидус определены для равновесных превращений жидкой фазы в твердую и обратно, то есть при бесконечной длительности процессов. На практике надо делать поправки с учетом скорости нагрева или охлаждения.

Таблица интервалов плавления-затвердевания алюминиевых сплавов

Плавление силумина

Не все сплавы имеют интервал между температурами солидус и ликвидус. Такие сплавы называют эвтектическим. Например, у алюминиевого сплава с содержанием 12,5 % кремния точки ликвидуса и солидуса сводятся в точку: этот сплав как и чистые металлы имеет не интервал, а точку плавления. Эта точка и температура называются эвтектическими. Этот сплав относится к знаменитым литейным алюминиево-кремниевым сплавам – силуминам с узким интервалом солидус-ликвидус, что и дает их лучшие литейные свойства.

В двойном сплаве Al-Si температура солидус постоянна и составляет 577 °С. При увеличении содержания кремния температура ликвидус снижается от максимального значения для чистого алюминия 660 °С и до совпадения с температурой солидуса 577 °С при содержании кремния 12,6 %.

Среди других легирующих элементов алюминия сильнее всего понижает температуру плавления магний: эвтектическая температура 450 °С достигается при содержании магния 18,9 %. Медь дает эвтектическую температуру 548 °С, а марганец – всего лишь 658 °С! Большинство сплавов являются не двойными, а тройными и даже четверными. Поэтому при совместном влиянии нескольких легирующих элементов температура солидуса – начала плавления или конца затвердевания может быть еще ниже.

Технология плавления алюминия в домашних условиях

Суть плавления состоит из нескольких этапов:

  1. Подготовка лома. В качестве исходного сырья используют профиль из алюминия, проволоку (ее предварительно уминают пассатижами), отслужившие детали. Кусочки должны быть небольшими. Краску, вкрапления других металлов из них не достают, все это будет в составе шлака.
  2. Подбор емкости, в которой можно плавить алюминий. Подойдет прочная посудина из стали (температура плавления 1300°С) или чугунок (1100°С), используют готовые огнеупорные тигли.
  3. Подготовка формы для расплава. В домашних условиях их делают самостоятельно. Процедура изготовления представлена ниже.
  4. Плавление лома. Предварительно определяют источник тепла.
  5. Снятие шлака, изготовление отливки. Самый простой способ плавки – аккуратно слить жидкий алюминий в подготовленную емкость или форму, шлак остается на стенках плавильной посудины. Чтобы он не прилип, требуется быстро ее охладить.

В принципе, технология промышленного и кустарного литья ничем не отличается. Лом плавят до состояния текучести. После этого отделяют расплав от шлака, сливают в заготовленные формы. Их после охлаждения отливки разбивают. Важно определить, что в результате должно получиться из жидкого алюминия. Даже если плавить металл решили ради эксперимента, емкость или форму для литья все равно необходимо приготовить. Тогда можно будет рассмотреть получившийся слиток, проверить его на пористость, чистоту, однородность структуры.

Оборудование и способы плавки

Прежде, чем плавить алюминий, выбирают место и способ разогрева металла. Два часто используемых варианта:

  1. В гаражах или домовладениях плавят алюминий, сооружается плавильня, ее составляют из кирпича без использования связующего раствора. В качестве опоры удобен металлический каркас, в нем должно быть отверстие для нагнетания воздуха, для этого используют пылесос или фен. Самодельная печь обкладывается углем. Емкость для плавления с ломом помещают внутрь. Для лучшего сохранения тепла кирпичи сверху накрывают листом металла.
  2. В домашних условиях для разогрева небольшого количества лома пользуются:

— газовой горелкой;

— паяльной лампой;

— газовой плитой, можно плавить небольшое количество лома, но выход расплава будет невысокий.

Литье плавят в стальной посуде. Для повышения скорости нагрева используют конструкцию из двух емкостей, их вставляют одна в другую с зазором 1 см. Дно большой посудины перфорируется, оно выполняет функцию пламярассекателя. Когда есть газовая горелка, совмещают нижний нагрев с верхним. Плавить металл можно быстрее.

Дополнительное оборудование

Для небольших порций лома иногда используют жестяные банки. Но эта тара ненадежная, не исключено прогорание жести. Надежнее использовать керамический или металлический огнеупорный тигель для муфельных печей. Хороший вариант – обрезанный стакан огнетушителя. Для удобства делают желоб, по которому будет стекать расплавленный алюминий. При работе используют длинные щипцы. Понадобится ложка на длинной ручке для сбора шлака.

Как сделать форму для отливки

Перед тем, как расплавить алюминий, готовят болванку для отливки. Существует несколько способов заливки жидкого расплава. Чаще используют открытый и закрытый метод. О каждом стоит рассказать подробнее.

Открытая форма

Когда плавят алюминий по открытой методике, после плавления расплав выливают в подготовленную емкость, например, жестяную банку. Алюминиевую отливку вынимают из банки в горячем виде, когда горячий расплав немного схватится сверху. Достаточно несильно постучать по емкости. Если не нужен слиток заданной геометрии, расплавленный металл выливают на любую ровную огнеупорную поверхность, он хорошо держится, не растекается, внешне напоминает ртуть.

Закрытая форма

Сложные по геометрии отливки получают в специально приготовленных формах. Она должна соответствовать параметрам детали, обычно делается разъемной. Для изготовления формы используют деталь-макет, по которому делают отливку. В качестве формующего материала используют кремнезем, он хорошо трамбуется, его несложно найти. Кремнезем заменяют:

  • смесью речного песка и жидкого стекла;
  • смесь песка, цемента, вместо воды добавляют тормозную жидкость;
  • гипс, он удобен для сложных макетов.

Из гипса делают сплошные бесшовные формы, они одноразовые, их после застывания алюминия разбивают. Деталь-макет изготавливают из воска или пенопласта. Его помещают внутрь емкости, используемой для формы, затем заливают пустоты. Получаются ровные детали, не требующие дополнительной обработки. Когда используется гипс, его сушат в течение пары дней. Гипс боится влаги, разбухает. Он склонен к растрескиванию при высыхании. При контакте с парафином или пенопластом гипс сохраняет свою структуру, не образуется рытвин, раковин.

Затвердевание алюминия

Чистый алюминий

Чистые металлы, в том числе, чистый алюминий, имеют четкую температуру плавления – точку плавления.  Затвердевание или «замерзание» чистого алюминия происходит также при постоянной температуре. Когда чистый жидкий алюминий  охлаждается, его температура падает до температуры затвердевания и остается при этой температуре, пока весь он (жидкий алюминий) не затвердеет. На рисунках 5 и 6 показаны типичные кривые охлаждения чистого металла с переходом его из жидкого состояния в твердое.

Кривая затвердевания чистого алюминияРисунок 5 – Кривая охлаждения чистого металла (например, алюминия) [3]


Рисунок 6 – Затвердевание чистого алюминия [5]

Алюминиевый сплав

При затвердевании алюминиевого сплава, который состоит из алюминия и растворенного в нем легирующего элемента, например, кремния или меди, то кривая охлаждение этого сплава показывает, что начало затвердевания происходит при одной температуре, а окончание – при другой температуре (рисунок 7).

Кривая затвердевания алюминиевого сплаваРисунок 7 – Кривая охлаждения сплава (например, алюминиевого сплава) [3]

Расплавление алюминиевых сплавов для литья

Для нагрева алюминиевого сплава до температуры жидкого состояния, при которой  возможно выполнение операций литья, применяют плавильные печи различных видов. Тепловая энергия, которая требуется для того, чтобы нагреть металл до температуры жидкого состояния, при которой его можно разливать в литейные формы, состоит из суммы следующих компонентов:

  • Теплота, чтобы поднять температуру металла до температуры плавления
  • Теплота плавления, чтобы перевести металл из твердого состояния в жидкое состояние
  • Теплота для нагрева расплавленного металла до заданной температуры разливки

Температура разливки – это температура расплавленного металла, при которой он заливается в литейную форму. Важным фактором здесь является разность между температурой разливки и температурой, при которой начинается затвердевание. Этой температурой является температура (точка) плавления для чистого  алюминия или температура ликвидус для алюминиевого сплава. Эту разность температур иногда называют перегревом. Этот термин также может применяться для количества теплоты, которое надо отобрать от жидкого металла между разливкой и моментом начала затвердевания.

Применение металла в промышленном производстве

В естественных условиях алюминий имеет свойство образовывать тонкую оксидную пленку, что предотвращает реакции с водой и азотной кислотой (без нагрева). При разрушении пленки в результате контакта со щелочами химический элемент выступает в качестве восстановителя.

С целью предотвращения образования оксидной пленки в сплав добавляют другие металлы (галлий, олово, индий). Металл практически не подвергается коррозионным процессам. Он является востребованным материалом в различных отраслях промышленности.

Применение алюминия

Алюминий и его сплавы очень востребованы в различных сферах жизни человека.
  • Алюминий считается популярным материалом для изготовления посуды, основным сырьем для авиационной и космической отрасли промышленности. Отличная электропроводность металла позволяет использовать его при напылении проводников в микроэлектронике.
  • Свойство алюминия и его сплавов при низких температурах приобретать хрупкость позволяет его использовать в криогенной технике. Отражательная способность и дешевизна, легкость вакуумного напыления делают алюминий незаменимым материалом для изготовления зеркал.
  • Нанесение металла на поверхность деталей турбин, нефтяных платформ придают устойчивость к коррозии сплавам из стали. Для производства сероводорода применяется сульфид металла, а чистый алюминий используется в качестве восстановителя редких сплавов из оксидов.
  • Химический элемент используют как компонент соединений, например, в алюминиевых бронзах, магниевых сплавах. Наряду с другими материалами его применяют для изготовления спиралей в электронагревательных приборах. Соединения металла широко применяются в стекловарении.
  • В данное время чистый алюминий редко используется в качестве материала для ювелирной бижутерии, но набирает популярности его сплав с золотом, обладающий особым блеском и игрой. В Японии металл вместо серебра используется для изготовления украшений.
  • В пищевой промышленности алюминий зарегистрирован в качестве добавки. Алюминиевые банки для пива стали популярной упаковкой для напитка с 60-х годов прошлого века. Технологическая линия предусматривает производство тары 0,33 и 0,5 л. Упаковка имеет одинаковый диаметр и отличается только высотой.
  • Основным преимуществом упаковки перед стеклом является возможность вторичного использования материала.
  • Банки для пива (газированных напитков) выдерживают давление до 6 атмосфер, имеют куполообразное, толстое дно и тонкие стенки. Особенности технологии изготовления путем вытяжки обеспечивают конструкционную прочность и надежные эксплуатационные свойства тары.

Источники: https://tokar.guru/metally/alyuminiy/kakaya-temperatura-plavleniya-alyuminiya-po-celsiyu.html, https://aluminium-guide.com/temperatura-plavleniya-alyuminiya-i-alyuminievyx-splavov/, https://svarkaprosto.ru/tehnologii/kak-plavit-alyuminij, https://ometallah.com/plavlenie/fizicheskie-parametry-alyuminiya.html, https://ismith.ru/metal/temperatura-plavleniya-alyuminiya/, Ошибка curl:

Юлия Брисина
Юлия Брисина
/ автор статьи
Высшее образование (ВНМУ им.Н.И.Пирогова, лечебное дело). Интересы: косметология, медицина, психология, путешествия, научная и художественная литература.
Написано статей
3
Ссылка на основную публикацию

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: