Grundlegende physikalische Eigenschaften von Eisen. Schmelzpunkt von Eisen Schmelzpunkt von Eisenmetall

Metalle schmelzen in der Regel bei sehr hohen Temperaturen, die mehr als dreitausend Grad erreichen können. Obwohl einige von ihnen zu Hause geschmolzen werden können, wie Blei oder Zinn. Aber Quecksilber wird bei einer Temperatur von minus 39 Grad geschmolzen. Dies kann zu Hause nicht erreicht werden. Die Schmelztemperatur ist einer der wichtigen Indikatoren für die Herstellung nicht nur des Metalls selbst, sondern auch seiner Legierungen. Beim Schmelzen von Rohstoffen berücksichtigen Spezialisten andere physikalische und Chemische Eigenschaften Erz und Metall.

Eisen und seine Eigenschaften

Eisen ist ein chemisches Element mit der Nummer 26 im Periodensystem und eines der häufigsten Elemente im gesamten Sonnensystem. Laut Forschungsmaterialien in der Zusammensetzung des Erdkerns sind etwa 79-85% dieser Substanz. Auch in der Erdkruste kommt es in großen Mengen vor, ist aber dem Aluminium unterlegen.

In seiner reinen Form hat das Metall eine weiße Farbe mit einem leicht silbrigen Farbton. Es ist plastisch, aber die darin enthaltenen Verunreinigungen können seine physikalischen Eigenschaften bestimmen. Reagiert auf einen Magneten.

Eisen ist im Wasser vorhanden. In Flussgewässern beträgt seine Konzentration etwa 2 mg/l Metall. Im Meerwasser kann sein Gehalt hundert- oder sogar tausendmal geringer sein.

Eisenoxid ist die Hauptform, die abgebaut und in der Natur gefunden wird. Oxideisen kann sich im obersten Teil der Erdkruste befinden und Bestandteil von Sedimentformationen sein.

Das Element, das im Periodensystem an der sechsundzwanzigsten Stelle steht, kann mehrere Oxidationsstufen haben. Sie bestimmen seine geochemische Eigenschaft, sich in einer bestimmten Umgebung zu befinden. Im Erdkern liegt das Metall in neutraler Form vor.

Bergbau

Es gibt mehrere Erze, in denen Eisen vorhanden ist. Als Rohstoffe für die Eisenerzeugung in der Industrie werden jedoch hauptsächlich verwendet:

• Magnesit-Erz;
• Goethiterz;
• Hämatit Erz.

Und auch oft gibt es solche Erzsorten:

Es gibt auch ein Mineral namens Melanterit. Es wird hauptsächlich in der pharmazeutischen Industrie verwendet. Von sich aus ist es ein grüner zerbrechlicher Kristall, in dem sich ein glasiger Glanz befindet. Daraus werden Medikamente hergestellt, zu denen auch Ferum gehört.

Die Hauptlagerstätte dieses Metalls ist Südamerika nämlich Brasilien.

Das Schmelzen von Eisen und die erforderliche Temperatur

Der Schmelzpunkt eines Metalls ist die niedrigste Temperatur, bei der es vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Gleichzeitig bleibt es im Volumen praktisch unverändert.

Aus Erz kann Metall hergestellt werden verschiedene Wege, aber das grundlegendste ist Domain. Neben Hochöfen wird auch Eisenschmelze verwendet, indem zerkleinertes Erz mit einer Tonbeimischung geröstet wird. Aus der resultierenden Mischung werden Pellets geformt, die in einem Ofen verarbeitet werden, gefolgt von einer Reduktion mit Wasserstoff. Als nächstes wird das Schmelzen von Eisen in einem Elektroofen durchgeführt.

Der Schmelzpunkt von Eisen ist sehr hoch. Für ein technisch reines Element beträgt sie +1539 °C. In dieser Substanz gibt es eine Verunreinigung - Schwefel, der nur in flüssiger Form extrahiert werden kann. Reines Material ohne Verunreinigungen wird durch Elektrolyse von Metallsalzen gewonnen.

Klassifizierung von Metallen nach Schmelzpunkt

Verschiedene Metalle können bei unterschiedlichen Temperaturen in einen flüssigen Zustand übergehen. Dadurch wird eine bestimmte Klassifizierung unterschieden. Sie sind wie folgt aufgeteilt:

1. schmelzbar- jene Elemente, die auch bei Temperaturen unter 600 Grad flüssig werden können. Dazu gehören Zink, Zinn, Blei usw. Sie können sogar zu Hause geschmolzen werden - Sie müssen es nur mit einem Herd oder Lötkolben erhitzen. Solche Spezies haben Anwendung in der Technik und Elektronik gefunden. Sie werden verwendet, um Metallelemente und die Bewegung von elektrischem Strom zu verbinden. Zinn schmilzt bei 232 Grad und Zink bei 419 Grad.
2. Mittlerer Schmelzpunkt- Elemente, die bei einer Temperatur von sechshundert bis eintausendsechshundert Grad zu schmelzen beginnen. Diese Elemente werden hauptsächlich für Bauelemente und Metallkonstruktionen verwendet, dh bei der Herstellung von Beschlägen, Platten und Bausteinen. Zu dieser Gruppe gehören: Eisen, Kupfer, Aluminium. Der Schmelzpunkt von Aluminium ist mit 660 Grad relativ niedrig. Aber Eisen beginnt erst bei einer Temperatur von 1539 Grad in einen flüssigen Zustand überzugehen. Es ist eines der am häufigsten verwendeten Metalle in der Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie. Eisen ist jedoch anfällig für Korrosion, also Rost, und erfordert daher eine spezielle Oberflächenbehandlung. Es muss mit Farbe oder trocknendem Öl bedeckt sein und es darf keine Feuchtigkeit eindringen.
3. Feuerfest- das sind Materialien, die bei Temperaturen über 1600 Grad schmelzen und flüssig werden. Zu dieser Gruppe gehören Wolfram, Titan, Platin, Chrom usw. Sie werden in der Nuklearindustrie und für einige Maschinenteile verwendet. Sie können zum Schmelzen anderer Metalle, zur Herstellung von Hochspannungsdrähten oder -drähten verwendet werden. Platin kann bei 1769 Grad geschmolzen werden und Wolfram bei 3420 °C.

Das einzige Element, das unter normalen Bedingungen in flüssigem Zustand vorliegt, ist Quecksilber. Sein Schmelzpunkt liegt bei minus 39 Grad und seine Dämpfe sind giftig, daher wird es nur in Labors und geschlossenen Behältern verwendet.

Der Mensch begann mehrere Jahrtausende, nachdem er die Arbeit mit Kupfer gemeistert hatte, Eisen zu besitzen (zu schmieden, zu schmelzen). Das erste einheimische Eisen in Form von Klumpen wurde im Jahr 3000 im Nahen Osten gefunden. Und die Eisenmetallurgie entstand laut Experten an mehreren Orten auf dem Planeten, verschiedene Völker beherrschten diesen Prozess zu unterschiedlichen Zeiten. Aus diesem Grund ersetzte Eisen als Material für die Herstellung von Werkzeugen, Jagd und Krieg Stein und Bronze.

Die ersten Eisenherstellungsverfahren wurden als Käseherstellung bezeichnet. Unter dem Strich wurde Eisenerz in die Grube mit gegossen Holzkohle, das angezündet und fest verstopft war und ein Sprengloch hinterließ, durch das frische Luft zum Sprengen zugeführt wurde. Bei einer solchen Erwärmung konnte der Schmelzpunkt von Eisen natürlich nicht erreicht werden, es wurde eine erweichte Masse (Tiegel) erhalten, in der sich Schlacke (Brennstoffasche, Erz- und Gesteinsoxide) befand.

Außerdem wurde die resultierende Kritsa mehrmals geschmiedet, wobei Schlacke und andere unnötige Einschlüsse entfernt wurden. Dieser mühsame Prozess wurde mehrmals durchgeführt, wodurch ein Fünftel der Gesamtmasse den Endbearbeitungsvorgang erreichte. Mit der Erfindung des Wasserrades wurde es möglich, eine erhebliche Luftmenge zuzuführen. Dank einer solchen Explosion wurde der Schmelzpunkt von Eisen erreichbar, das Metall erschien in flüssiger Form.

Dieses Metall war Gusseisen, das nicht geschmiedet wurde, aber es wurde beobachtet, dass es die Form gut füllte. Dies waren die ersten Experimente, die mit einigen Verbesserungen und Änderungen bis in unsere Tage gekommen sind. Im Laufe der Zeit wurde ein Verfahren gefunden, um Gusseisen zu Schmiedeeisen zu verarbeiten. Gusseisenstücke wurden mit Holzkohle beladen, während dieses Prozesses wurde das Gusseisen weicher und Verunreinigungen, einschließlich Kohlenstoff, wurden oxidiert. Infolgedessen wurde das Metall dick, der Schmelzpunkt von Eisen stieg an, d.h. Schmiedeeisen hergestellt.

So konnten die damaligen Metallurgen einen einzelnen Prozess in zwei Stufen unterteilen. Dieser zweistufige Prozess in der Idee ist bis heute erhalten geblieben, die Änderungen beziehen sich eher auf das Auftreten von Prozessen, die in der zweiten Stufe auftreten. Reines Eisen oder Metall mit einem Minimum an Verunreinigungen, praktische Anwendung hat fast keine. Der Schmelzpunkt von Eisen liegt laut Eisen-Kohlenstoff-Diagramm bei Punkt A, was 1535 Grad entspricht.

Eisen kommt, wenn es 3200 Grad erreicht.

Im Freien überzieht sich Eisen mit der Zeit mit einem Oxidfilm, in feuchter Umgebung bildet sich eine lockere Rostschicht. Eisen ist seit seiner Entstehung eines der wichtigsten Metalle. Eisen wird hauptsächlich in Form von Legierungen verwendet, die sich in Eigenschaften und Zusammensetzung unterscheiden.

Bei welcher Temperatur Eisen schmilzt, hängt vom Gehalt an Kohlenstoff und anderen Komponenten ab, aus denen die Legierung besteht. Am weitesten verbreitet sind Kohlenstofflegierungen - Gusseisen und Stahl. Legierungen mit mehr als 2 % Kohlenstoff werden als Gusseisen bezeichnet, weniger als 2 % sind Stahl. Roheisen wird in Hochöfen durch Umschmelzen von in der Sinteranlage angereicherten Erzen gewonnen.

In Herd-, Elektro- und Induktionsöfen, in Konvertern.

Als Einsatzmaterial werden Metallschrott und Gusseisen verwendet. Durch Oxidationsprozesse werden überschüssiger Kohlenstoff und schädliche Verunreinigungen aus der Charge entfernt, und die Zugabe von Legierungsmaterialien ermöglicht es, das erforderliche Material zu erhalten.Um Stahl und andere Legierungen zu erhalten, verwendet die moderne Metallurgie Elektroschlacke-Umschmelztechnologien, Vakuum, Elektronenstrahl und Plasma schmelzen.

Es werden neue Methoden des Stahlschmelzens entwickelt, die eine Automatisierung des Prozesses ermöglichen und die Produktion von hochwertigem Metall sicherstellen.

Die wissenschaftlichen Entwicklungen haben ein Niveau erreicht, auf dem es möglich ist, Materialien zu erhalten, die Vakuum und Hochdruck, großen Temperaturunterschieden, aggressiven Umgebungen, Strahlung usw.

Der Schmelzpunkt von Metallen, der vom kleinsten (-39 ° C für Quecksilber) bis zum höchsten (3400 ° C für Wolfram) variiert, sowie die Dichte von Metallen im festen Zustand bei 20 ° C und die Dichte von Flüssigkeiten Metalle am Schmelzpunkt, sind in der Tabelle der schmelzenden Nichteisenmetalle angegeben .

Tabelle 1. Schmelzen von Nichteisenmetallen

Schweißen und Schmelzen von Nichteisenmetallen

Kupferschweißen . Die Schmelztemperatur von Cu-Metall ist fast sechsmal höher als die Schmelztemperatur von Stahl, Kupfer absorbiert und löst verschiedene Gase intensiv und bildet mit Sauerstoff Oxide. Kupferoxid II bildet mit Kupfer ein Eutektikum, dessen Schmelzpunkt (1064°C) niedriger ist als der Schmelzpunkt von Kupfer (1083°C). Wenn flüssiges Kupfer erstarrt, befindet sich das Eutektikum entlang der Korngrenzen, wodurch Kupfer spröde und rissanfällig wird. Daher besteht die Hauptaufgabe beim Schweißen von Kupfer darin, es vor Oxidation und aktiver Desoxidation des Schweißbades zu schützen.

Das gebräuchlichste Gasschweißen von Kupfer mit einer Acetylenoxidflamme mit Brennern, die 1,5 ... 2 mal stärker sind als ein Brenner zum Schweißen von Stählen. Das Füllmetall sind Kupferstäbe, die Phosphor und Silizium enthalten. Wenn die Dicke der Produkte mehr als 5...6 mm beträgt, werden sie zuerst auf eine Temperatur von 250...300°C erhitzt. Flussmittel zum Schweißen sind geröstetes Borax oder eine Mischung aus 70 % Borax und 30 % Borsäure. Zu steigern mechanische Eigenschaften und um die Struktur des abgeschiedenen Metalls zu verbessern, wird Kupfer nach dem Schweißen bei einer Temperatur von etwa 200 ... 300 ° C geschmiedet. Dann wird es wieder auf 500–550°C erhitzt und in Wasser gekühlt. Kupfer wird auch im Lichtbogenverfahren mit Elektroden, im Schutzgasstrom, unter einer Flussmittelschicht, auf Kondensatormaschinen, im Reibverfahren geschweißt.

Messingschweißen . Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink (bis zu 50 %). Die Hauptverschmutzung ist in diesem Fall die Verdunstung von Zink, wodurch die Naht ihre Eigenschaften verliert und Poren darin auftreten. Messing wird wie Kupfer hauptsächlich mit einer oxidierenden Acetylenflamme geschweißt, die einen Film aus feuerfestem Zinkoxid auf der Oberfläche des Bades erzeugt und ein weiteres Ausbrennen und Verdampfen von Zink verringert. Flussmittel werden wie beim Kupferschweißen verwendet. Sie bilden an der Badoberfläche Schlacken, die Zinkoxide binden und das Entweichen von Dämpfen aus dem Schmelzbad erschweren. Messing wird auch in Schutzgasen und auf Kontaktmaschinen geschweißt.

Bronzeschweißen . Bronze ist in den meisten Fällen ein Gusswerkstoff, also

Schweißen wird bei der Behebung von Mängeln oder bei Reparaturen verwendet. Das am häufigsten verwendete Metallelektrodenschweißen. Das Füllmetall sind Stäbe mit der gleichen Zusammensetzung wie das Grundmetall, und die Flussmittel oder Elektrodenbeschichtungen sind Chlorid- und Fluoridverbindungen von Kalium und Natrium.

. Die Hauptfaktoren, die das Schweißen von Aluminium behindern, sind sein niedriger Schmelzpunkt (658 ° C), seine hohe Wärmeleitfähigkeit (etwa dreimal höher als die Wärmeleitfähigkeit von Stahl) und die Bildung von feuerfesten Aluminiumoxiden, die einen Schmelzpunkt von 2050 ° C haben C, also die Technologie des Schmelzens von Nichteisenmetallen , wie Kupfer oder Bronze ist für die Aluminiumschmelze nicht geeignet. Darüber hinaus reagieren diese Oxide sowohl mit sauren als auch mit basischen Flussmitteln schlecht, sodass sie schlecht von der Schweißnaht entfernt werden.

Die am häufigsten verwendete Gasschweißflamme aus Aluminium und Acetylen. In den letzten Jahren hat sich auch das automatische Unterpulver- und Argon-Metall-Lichtbogenschweißen weit verbreitet. Für alle Schweißverfahren außer Argon-Lichtbogen werden Flussmittel oder Elektrodenbeschichtungen verwendet, die Fluorid- und Chloridverbindungen von Lithium, Kalium, Natrium und anderen Elementen enthalten. Als Zusatzwerkstoff für alle Schweißverfahren werden Drähte oder Stäbe gleicher Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff verwendet.

Aluminium lässt sich gut mit einem Elektronenstrahl im Vakuum, auf Kontaktmaschinen, durch Elektroschlacke und andere Verfahren schweißen.

Schweißen von Aluminiumlegierungen . Aluminiumlegierungen mit Magnesium und Zink werden ohne geschweißt

spezielle Komplikationen sowie Aluminium. Eine Ausnahme bilden Duraluminium - Legierungen von Aluminium mit Kupfer. Diese Legierungen werden nach dem Abschrecken und anschließendem Altern thermisch gehärtet. Wenn die Schmelztemperatur von Nichteisenmetallen über 350 ° C liegt, tritt bei ihnen eine Festigkeitsabnahme auf, die durch eine Wärmebehandlung nicht wiederhergestellt wird. Daher nimmt beim Schweißen von Duraluminium in der Wärmeeinflusszone die Festigkeit um 40 ... 50% ab. Wenn Duraluminium in Schutzgasen geschweißt wird, kann eine solche Abnahme durch eine Wärmebehandlung von bis zu 80 ... 90% in Bezug auf die Festigkeit des Grundmetalls wiederhergestellt werden.

Schweißen von Magnesiumlegierungen . Beim Gasschweißen werden zwangsläufig Fluoridflussmittel verwendet, die im Gegensatz zu Chloridflussmitteln keine Korrosion von Schweißverbindungen verursachen. Lichtbogenschweißen von Magnesiumlegierungen mit Metallelektroden durch geringe Qualität Schweißnähte werden bisher nicht verwendet. Beim Schweißen von Magnesiumlegierungen kommt es in nahtnahen Bereichen zu einem deutlichen Kornwachstum und einer starken Ausbildung von Stengelkristallen Schweißen. Daher beträgt die Zugfestigkeit von Schweißverbindungen 55 ... 60% der Zugfestigkeit des Grundmetalls.

Tabelle 2. Physikalische Eigenschaften von industriellen Nichteisenmetallen

Schmelztiegel

Ein wesentlicher Bestandteil der Herstellung von Metall und Metallprodukten ist die Verwendung während Produktionsprozess Tiegel für die Herstellung, das Schmelzen und Umschmelzen von Eisen- und Nichteisenmetallen. Tiegel sind ein integraler Bestandteil von metallurgischen Ausrüstungen zum Gießen verschiedener Metalle, Legierungen und dergleichen.

Keramiktiegel zum Schmelzen von Nichteisenmetallen werden seit der Antike zum Schmelzen von Metallen (Kupfer, Bronze) verwendet.

Jedes Metall oder jede Legierung hat einzigartige Eigenschaften, einschließlich seines Schmelzpunkts. In diesem Fall geht das Objekt von einem Zustand in einen anderen über, in einem bestimmten Fall wird es von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit. Um es zu schmelzen, muss es erhitzt und erhitzt werden, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. In dem Moment, in dem der gewünschte Temperaturpunkt einer bestimmten Legierung erreicht ist, kann sie noch in einem festen Zustand verbleiben. Bei fortgesetzter Exposition beginnt es zu schmelzen.

In Kontakt mit

Quecksilber hat den niedrigsten Schmelzpunkt - es schmilzt sogar bei -39 °C, Wolfram hat den höchsten - 3422 °C. Bei Legierungen (Stahl und andere) ist es äußerst schwierig, die genaue Zahl zu bestimmen. Es hängt alles vom Verhältnis der Komponenten in ihnen ab. Bei Legierungen wird es als numerisches Intervall geschrieben.

Wie ist der Ablauf

Elemente, was auch immer sie sind: Gold, Eisen, Gusseisen, Stahl oder andere – schmelzen ungefähr gleich. Dies geschieht mit externer oder interner Heizung. Die externe Erwärmung erfolgt in einem thermischen Ofen. Für die interne Widerstandsheizung wird ein elektrischer Strom oder eine Induktion geleitet Erwärmung im hochfrequenten elektromagnetischen Feld. Die Wirkung ist ungefähr gleich.

Wann Erwärmung entsteht, nimmt die Amplitude der thermischen Schwingungen von Molekülen zu. In Erscheinung treten Gitterstrukturfehler begleitet vom Aufbrechen interatomarer Bindungen. Die Zeit der Gitterzerstörung und Akkumulation von Defekten wird Schmelzen genannt.

Abhängig vom Schmelzgrad der Metalle werden sie unterteilt in:

1. schmelzbar - bis 600 ° C: Blei, Zink, Zinn;
2. mittelschmelzend - von 600 ° C bis 1600 ° C: Gold, Kupfer, Aluminium, Gusseisen, Eisen und vor allem Elemente und Verbindungen;
3. feuerfest - ab 1600 ° C: Chrom, Wolfram, Molybdän, Titan.

Je nachdem, wie hoch der maximale Grad ist, wird auch die Schmelzvorrichtung ausgewählt. Es sollte umso stärker sein, je stärker die Erwärmung ist.

Der zweite wichtige Wert ist der Siedegrad. Dies ist der Parameter, bei dem Flüssigkeiten zu kochen beginnen. In der Regel ist es der doppelte Schmelzgrad. Diese Werte sind direkt proportional zueinander und werden meist bei Normaldruck angegeben.

Steigt der Druck, steigt auch die Schmelzmenge. Wenn der Druck abnimmt, dann nimmt er ab.

Charakteristische Tabelle

Metalle und Legierungen – unverzichtbar Grundlage für das Schmieden, Gießerei, Schmuck und viele andere Produktionsbereiche. Was auch immer der Meister tut ( Goldschmuck, Zäune aus Gusseisen, Messer aus Stahl od Kupferarmbänder), zum korrekter Betrieb Er muss wissen, bei welchen Temperaturen dieses oder jenes Element schmilzt.

Um diesen Parameter herauszufinden, müssen Sie sich auf die Tabelle beziehen. In der Tabelle finden Sie auch den Siedegrad.

Zu den am häufigsten verwendeten Elementen im Alltag gehören die folgenden Schmelzpunktindikatoren:

1. Aluminium - 660 °C;
2. Schmelzpunkt von Kupfer - 1083 °C;
3. Schmelzpunkt von Gold - 1063 ° C;
4. Silber - 960 °C;
5. Zinn – 232 °C. Zinn wird oft zum Löten verwendet, da die Temperatur eines funktionierenden Lötkolbens nur 250–400 Grad beträgt;
6. Blei - 327 °C;
7. Schmelzpunkt von Eisen - 1539 ° C;
8. Schmelztemperatur von Stahl (einer Legierung aus Eisen und Kohlenstoff) - von 1300 °C bis 1500 °C. Sie schwankt je nach Sättigung der Stahlkomponenten;
9. Schmelzpunkt von Gusseisen (auch eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff) - von 1100 ° C bis 1300 ° C;
10. Quecksilber - -38,9 ° C.

Wie aus diesem Teil der Tabelle hervorgeht, ist Quecksilber das am leichtesten schmelzbare Metall, das sich bereits bei positiven Temperaturen in einem flüssigen Zustand befindet.

Der Siedegrad all dieser Elemente ist fast doppelt so hoch und manchmal sogar höher als der Schmelzgrad. Für Gold sind es beispielsweise 2660 °C, z Aluminium - 2519°C, für Eisen - 2900 ° C, für Kupfer - 2580 ° C, für Quecksilber - 356,73 ° C.

Für Legierungen wie Stahl, Gusseisen und andere Metalle ist die Berechnung ungefähr gleich und hängt vom Verhältnis der Komponenten in der Legierung ab.

Der maximale Siedepunkt für Metalle ist Rhenium - 5596 °C. Der höchste Siedepunkt liegt in den meisten feuerfesten Materialien.

Es gibt auch Tabellen, die darauf hinweisen Dichte von Metallen. Das leichteste Metall ist Lithium, das schwerste ist Osmium. Osmium hat eine höhere Dichte als Uran und Plutonium bei Betrachtung bei Raumtemperatur. Zu den Leichtmetallen gehören: Magnesium, Aluminium, Titan. Zu den Schwermetallen gehören die häufigsten Metalle: Eisen, Kupfer, Zink, Zinn und viele andere. Die letzte Gruppe ist sehr Schwermetalle Dazu gehören: Wolfram, Gold, Blei und andere.

Ein weiterer Indikator in den Tabellen ist Wärmeleitfähigkeit von Metallen. Am schlimmsten ist, dass Neptunium Wärme leitet und Silber der beste Wärmeleiter ist. Gold, Stahl, Eisen, Gusseisen und andere Elemente liegen in der Mitte zwischen diesen beiden Extremen. Eindeutige Merkmale finden Sie jeweils in der gewünschten Tabelle.