Физические свойства металлов.

Плотность. Это - одна из важнейших характеристик металлов и сплавов. по плотности металлы делятся на следующие группы:

легкие (плотность не более 5 г/см3) - магний, алюминий, титан и др.:

тяжелые - (плотность от 5 до 10 г/см 3) - железо, никель, медь, цинк, олово и др. (это наиболее обширная группа);

очень тяжелые (плотность более 10 г/см 3) - молибден, вольфрам, золото, свинец и др.

В таблице 2 приведен значения плотности металлов. (Это и последующие таблицы характеризуют свойства тех металлов, которые составляют основу сплавов для художественного литья).

Таблица 2. Плотность металла.

Металл Плотность г/см3 Металл Плотность г/см3
Магний 1,74 Железо 7,87
Алюминий 2,70 Медь 8,94
Титан 4,50 Серебро 10,50
Цинк 7,14 Свинец 11,34
Олово 7,29 Золото 19,32

Температура плавления. В зависимости от температуры плавления металл подразделяют на следующие группы:

легкоплавкие (температура плавления не превышает 600 oС) - цинк, олово, свинец, висмут и др.;

среднеплавкие (от 600 oС до 1600 oС) - к ним относятся почти половина металлов, в том числе магний, алюминий, железо, никель, медь, золото;

тугоплавкие ( более 1600 oС) - вольфрам, молибден, титан, хром и др.

Ртуть относится к жидкостям.

При изготовлении художественных отливок температура плавления металла или сплава определяет выбор плавильного агрегата и огнеупорного формовочного материала. При введении в металл добавок температура плавления, как правило, понижается.

Таблица 3. Температура плавления и кипения металлов.

Металл Температура, oС Металл Температура, oС
плавления кипения плавления кипения
Олово 232 2600 Серебро 960 2180
Свинец 327 1750 Золото 1063 2660
Цинк 420 907 Медь 1083 2580
Магний 650 1100 Железо 1539 2900
Алюминий 660 2400 Титан 1680 3300

Удельная теплоемкость. Это количество энергии, необходимое для повышения температуры единицы массы на один градус. Удельная теплоемкость уменьшается с увеличением порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Зависимость удельной теплоемкости элемента в твердом состоянии от атомной массы описывается приближенно законом Дюлонга и Пти:

ma cm = 6.

где, ma - атомная масса; cm - удельная теплоемкость (Дж/кг * oС).

В таблице 4 приведены значения удельной теплоемкости некоторых металлов.

Таблица 4. Удельная теплоемкость металлов.

Металл Температура,oС Удельная теплоемкость, Дж/кг * oСМеталл Температура,oС Удельная теплоемкость, Дж/кг * oС
Магний0-100
225
1,03
1,18
Цинк0
св.420
0,35
0,51
Титан0-100
440
0,47
068
Серебро0
427
0,23
0,25
Медь97,5
Св.1100
0,40
0,55
Олово0
240
0,22
0,27
Алюминий0-100
660
0,87
1,29
Золото0-100
1100
0,12
0,15
Железо0-100
1550
0,46
1,05
Свинец0
300
0,12
0,14

Скрытая теплота плавления металлов. Это характеристика (таблица 5 ) наряду с удельной теплоемкости металлов в значительной степени определяет необходимую мощность плавильного агрегата. Для расплавления легкоплавкого металла иногда требуется больше тепловой энергии, чем для тугоплавкого. Например, для нагревания меди от 20 до 1133 oС потребуется в полтора раза меньше тепловой энергии, чем для нагревания такого же количества алюминия от 20 до 710 oC.

Таблица 5. Скрытая теплота металла

Металл Скрытая теплота
плавления, Дж/кг
Металл Скрытая теплота
плавления, Дж/кг
Свинец 23,2 Медь 203,7
Олово 60,9 Железо 277,2
Золото 63,0 Магний 369,6
Цинк 101,6 Алюминий 400,7
Серебро 105,0 Титан 436,8

Теплоемкость. Теплоемкость характеризует передачу тепловой энергии от оной части тела к другой, а точнее, молекулярной перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры. (таблица 6)

Таблица 6. Коэффициент теплопроводности металлов при 20 oС

Металл Коэффициент теплопроводности, кВт/м * oСМеталл Коэффициент теплопроводности, кВт/м * oС
Серебро 0,410 Цинк 0,110
Медь 0,386 Олово 0,065
Золото 0,294 Железо 0,067
Алюминий 0,210 Свинец 0,035
Магний 0,144 Титан 0,016

Качество художественного литья тесно связано с теплопроводностью металла. В процессе выплавке важно не только обеспечить достаточно высокую температуру металла, но и добиться равномерного распределения температуры во всем объеме жидкой ванны. Чем выше теплопроводность, тем равномернее распределена температура. При электродуговой плавке, несмотря на высокую теплопроводность большинства металлов, перепад температуры по сечению ванны достигает 70-80 oС, а для металла с низкой теплопроводностью этот перепад может достигать 200 oС и более.

Благоприятные условия для выравнивания температуры создаются при индукционной плавке.

Коэффициент теплового расширения. Эта величина, характеризующая изменение размеров образца длиной 1 м при нагревании на 1 oС, имеет важное значение при эмальерных работах (таблица 7)

Коэффициенты теплового расширения металлической основы и эмали должны иметь по возможности близкие значения, чтобы после обжига эмаль не растрескивалась. Большинство эмалей, представляющих твердый коэффициент оксидов кремния и других элементов, имеют низкий коэффициент теплового расширения. Как показала практика, эмали очень хорошо держаться на железе, золоте, менее прочно - на меди и серебре. Можно полагать, что титан - весьма подходящий материал для эмалирования.

Таблица 7. Коэффициент теплового расширения металлов.

Металл Температура, oС α*10-8 oС -1 Металл Температура, oС α*10-8oС -1
Титан27
727
8,3
12,8
Алюминий27
627
23,3
37,8
Железо27
727
12,0
14,7
Олово (α- модификация)2716,0
Золото27
727
14,0
17,7
Олово (β-модификации)2731,4
Медь27
727
16,7
21,8
Магний2725,8
Серебро27
727
18,9
25,6
Свинец27
277
28,5
33,3
Цинк27
377
63,5
50,3
---

Отражательная способность. Это - способность металла отражать световые волны определенной длины, которая воспринимает человеческим глазом как цвет (таблице 8). Цвета металла указаны в таблице 9.

Таблица 8. Соответствие между цветом и длиной волны.

Цвет Длина волны, нм Цвет Длина волны, нм
Фиолетовый 460 Желтый 580
Синий 470 Оранжевый 600
Голубой 480 Красный 640
Зеленый 520 Пурпурный 700

Таблица 9. Цвета металлов.

Металл Цвет Металл Цвет
Магний Бело-серый Цинк Голубовато-белый
Алюминий Серовато-белый Серебро Белый
Титан Серовато-белый Олово Серовато-белый
Железо Голубовато-белый Золото Желтый
Медь Красновато-розоватый Свинец Серовато-белый

Чистые металлы в декоративно-прикладном искусстве практически не применяются. Для изготовления различных изделий используют сплавы, цветовые характеристики которых значительно отличаются от цвета основного металла.

В течении долгого времени накапливался огромный опыт применения различных литейных сплавов для изготовления украшений, бытовых предметов, скульптур и многих других видов художественного литья. Однако до сих пор еще не раскрыта взаимосвязь между строением сплава и его отражательной способностью.

ЗАО "УЗЦМ" ©2005-2006
Связаться с вебмастером
ЗАО "УЗЦМ" г. Уфа тел/факс +7 (347) 252-29-05, 292-56-85 uzcmufa@mail.ru