Температура и основные условия плавления меди в домашних условиях

Медные изделия отличаются хорошей прочностью, пластичностью, высокой электропроводностью, устойчивостью к коррозии и химически активным веществам. Для изготовления объектов используется медная руда, которая на заводах обогащается и переплавляется в однородные бруски, прутья или слитки. Чтобы изготовить какое-либо медное изделие, материал помещают в термостойкую форму, доводят до температуры плавления, а потом прекращают нагрев, что приводит к застыванию вещества. Но какая температура плавления меди? Можно ли расплавить медные заготовки в домашних условиях — или для этого требуются специальные печи? О каких правилах техники безопасности нужно знать?

Общие сведения

Температурой плавления называют температуру, при которой твердое вещество переходит в жидкость. Медь расплавляется при температуре 1083 градусов, поэтому этот металл относят к категории тугоплавких. При снижении этой температуры металл может вновь принять твердую форму. Плавят медь на заводах, хотя эту процедуру можно провести в домашних условиях. На химическом уровне расплавление возникает за счет деструкции кристаллической решетки, которая формирует твердую структуру вещества. Атомы меди в кристаллической решетке всегда находятся в непрерывном движении.

Однако их взаимное притяжение и отталкивание происходит сбалансировано, поэтому атомы сохраняют исходное положение в течение длительного времени. В случае повышения температуры атомы меди получают дополнительную энергию, что заставляет двигаться их более интенсивно. При небольшом повышении дополнительная энергия «гасится» за счет сбалансированного движения атомов в решетке. Однако при достижении определенной температуры нагрева количество энергии становится избыточным, а кристаллическая решетка начинает разрушаться.

В этот момент и происходит расплавление вещества. Взаимное притяжение атомов частично сохраняется, поэтому вещество принимает жидкую форму. Однако в случае дальнейшего нагрева энергия атомов усиливается еще сильнее, что может привести к окончательному разрыву связи атомов друг с другом. Эту точку перехода называют испарением (жидкость трансформируется в пар). В случае снижения температуры медного пара может переходить обратно в жидкость, а потом — в твердое состояние.

Температура плавления меди

При нормальных условиях температура плавления меди составляет 1083 градусов по шкале Цельсия. А во время нагрева происходит ряд превращений на молекулярном уровне, что приводит к изменению свойств вещества. Чтобы разобраться во всех этих изменениях, нужно рассмотреть основные этапы нагрева и расплавления медного слитка. Примерный график плавления меди выглядит так:

1. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов внутри меди образуется прочная кристаллическая решетка, которая обеспечивает материалу большую устойчивость, упругость, химическую инертность. Решетка является достаточно прочной, однако в случае сильной деформации может происходить пространственное изменение положения атомов в решетке. Этим объясняется ковкость и пластичность медных изделий, которые могут сгибаться и деформироваться (скажем, при кузнечной обработке или в случае пресса).
2. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов на поверхности медного изделия также образуется тонкая оксидная пленка. Наличие такой пленки является большим плюсом для изделия, поскольку она выполняет множество важных функций — минимизирует контакт с внешними веществами, защищает материал от коррозии, немного увеличивает прочность. В случае охлаждения материала ниже температуры 0 градусов сама медь сохраняет все свои физические свойства. Однако оксидная пленка при охлаждении становится менее упругой и плотной, изделие становится менее твердым (хотя с практической точки зрения это снижение прочности практически незаметно).
3. При нагреве материала выше температуры 100 градусов происходит постепенная деструкция оксидной пленки на поверхности металла. Это повышает химическую активность материала, что делает его восприимчивым к воздействию веществ во внешней среде. Одновременно с этим при нагреве происходит насыщение энергией атомов меди, что делает материал более пластичным. По этой причине ковку медных изделий выполняют именно после нагрева, поскольку без нагрева для изменения формы изделия понадобится большое количество физических усилий (это может быть мускульная сила кузнеца, расходы электроэнергии для запуска электрического пресса и так далее).
4. При достижении температуры 1083 градусов кристаллическая медная решетка начинается постепенно разрушаться, что превращает твердую медь в жидкую. На физическом уровне происходит следующее — из-за избытка энергии атомы начинают двигаться в кристаллической решетке более интенсивно и хаотично, что приводит к частому столкновению атомов между собой. В конечном счете это разрушает решетку, хотя за счет взаимного столкновения и притяжения атомы не разлетаются в разные стороны. На физическом уровне такая структура материала соответствует жидкости (то есть такому состоянию вещества, при котором атомы находятся в относительно свободном движении, но не разлетаются в разные стороны подобно газу).
5. При остывании медной жидкости ниже температуры 1083 градусов происходит постепенная кристаллизация вещества. Медь вновь обретает твердую форму (чем ниже температура, тем интенсивней происходит затвердение вещества). Однако при необходимости жидкую медь можно и дальше нагревать (на химическом уровне будет происходить дальнейшее насыщение атомов энергией). При достижении температуры 2595 градусов по Цельсию жидкость начнет закипать, а медь начнет принимать газообразную форму. На практике длительное удержание вещества в газообразной форме проблематично — при контакте с атмосферным воздухом вещество будет быстро остывать, обратно превращаясь в жидкость. Чтобы обойти это ограничение, используются разные технологии. Оптимальная — нагрев вещества в тугоплавкой камере с поддержанием стабильной температуры выше критической точки (то есть выше температуры 2595 градусов). В таком случае температура среды будет высокой, а остывание вещества происходить не будет.

Чтобы расплавить/испарить медное изделие с помощью высокоточного нагревательного прибора, нагревать рекомендуется до чуть более высокой температуры. Скажем, в случае расплавления нагревать изделие следует до температуры 1100-1200 градусов (а не 1083 градусов). С практической точки зрения объясняется это просто — нагрев вещества происходит неравномерно, поэтому некоторые фрагменты медного изделия будут долго держать свою форму, тогда как другие — быстро расплавятся. К тому же вещество будет постоянно остывать, что может привести к кристаллизации отдельных фрагментов расплава.

Плавление сплавов на основе меди

На практике медь используют не только в качестве чистого вещества, но и в виде различных сплавов. Примеры таких сплавов — бронза, латунь, мельхиор и другие. Так как сплавы являются многокомпонентными веществами, то их плавление происходит по другому принципу. Рассмотрим примерный алгоритм плавления медных сплавов на примере латуни:

1. При температуре до 100 градусов Цельсия кристаллическая решетка является устойчивой и однородной. В случае удара происходит деформация материала. На поверхности материала имеется тонкая оксидная пленка, которая защищает изделие от воздействия воды, атмосферного воздуха, химически активных веществ.
2. При нагреве латуни до 100 градусов внешняя пленка постепенно плавится, что делает вещество менее прочным. Также из-за повреждения защитной пленки увеличивается химическая активность материала (то есть он начинает более активно вступать в реакцию с водой, воздухом, химическими веществами). Кристаллическая решетка устойчива к небольшому нагреву, поэтому материал сохраняет свою форму.
3. Температура 880 градусов — это точка солидуса. При достижении этой температуры начинается расплавление самых легкоплавких элементов, входящих в состав сплава. Это приводит к частичному переходу твердого вещества в жидкость. На химическом уровне при достижении точки солидуса происходит частичное разрушение кристаллической решетки вещества, однако у более тугоплавких фракций решетка сохраняется.
4. Температура 950 градусов — это точка ликвидуса. При достижении этой отметки плавятся самые тугоплавкие фракции, которые сохраняют свою твердость при более низких температурах. В результате на химическом уровне материал полностью становится жидким, поскольку полностью разрушается кристаллическая решетка у всех компонентов, входящих в состав латуни.

Как расплавить медь в домашних условиях?

Обычно медь и сплавы на ее основе плавят в специальных печах, где происходит не только расплавление материала, но и формовка новых деталей. Однако при желании медные изделия можно расплавить и в домашних условиях. Температура плавления меди в домашних условиях будет стандартной — 1083 градусов. Опытные металлурги рекомендуют нагревать вещество с небольшим запасом, чтобы минимизировать теплопотери и не допустить повторной кристаллизации вещества при его охлаждении. Во время домашнего расплавления необходимо соблюдать правила техники безопасности. Ниже мы рассмотрим эти правила, а потом узнаем, как именно нужно проводить домашнюю расплавку медных изделий.

Оборудование и правила техники безопасности

Для расплавления Вам понадобится купить или собрать специальное оборудование. В качестве исходного вещества подойдет чистая медь в слитках или брусках. Также для переплавки можно использовать различные детали и домашнюю утварь, содержащие большое количество меди. Это могут быть декоративные изделия, запчасти авто, очищенные провода и другие. Перед переплавкой проверьте удельное содержание меди (обычно ставится штамп с нужной информацией). Для нагрева объектов понадобится муфельная печь с регулятором температуры.

Для расплавления слитков или изделий понадобится не только печь, но и посуда-тигель, в которую будет помещаться медь. При выборе тигля отдайте свое предпочтение посуде, выполненной из тугоплавкой керамики или огнеупорной глины. Эти материалы не трескаются и не деформируются при большой нагреве. Из керамики или огнеупорной глины Вам также нужно выполнить форму, в которую будет заливаться расплавленная медь. Помимо этого Вам понадобится и ряд вспомогательных элементов — металлургические щипцы и крюк для работы с тиглем, древесный уголь (если Вы используете обычную печь), бытовой пылесос для удаления мусора с металлургической площадки и так далее.

Также стоит не забывать о правилах техники безопасности:

• Все работы рекомендуется проводить на улице либо в хорошо проветриваемом большом помещении с нормальным уровнем влажности воздуха. Это может быть гараж, пристройка к дому, мастерские.
• Для металлургических работ человеку понадобится купить защитную одежду, которая будет защищать его тело от маленьких капель расплавленной меди и термического воздействия высоких температур. Защитная одежда должна покрывать не только туловище, но и руки, голову и ноги.
• В случае утечки металла из активной зоны нужно выключить печь, чтобы остановить процедуру переплавки. «Сбежавший» металл необходимо потушить, однако учтите — вода для этих целей не подходит. В случае тушения раскаленного металла водой жидкость может начать распадаться на молекулы кислорода и водорода, что может спровоцировать взрыв (молекулярный водород чрезвычайно взрывоопасен). Для тушения расплавленного металла следует использовать асбестовое одеяло либо сухую кальцинированную соду или хлорид натрия.

Алгоритм расплавления медных изделий

Переплавку медных изделий следует делать так:

1. Возьмите медные изделия или слитки и поместите в тигель. Тигель с расходными материалами поместите в печь. Начните постепенно нагревать материал: сперва выставите температуру 100 градусов, потом — 200 и так далее. Доведите температуру до 1090-1150 градусов (медь плавится при температуре 1083 градусов, однако нужно брать температуру с небольшим запасом).
2. Когда материал расплавится, достаньте его из печи с помощью металлургических щипцов. На поверхности смеси вы увидите остатки оксидной пленки. С помощью крюка ее нужно сдвинуть к одной из стенок тигля, чтобы она не попала в форму. После удаления пленки аккуратно перелейте расплавленную медь в форму (переливать жидкость нужно тонкой струей, чтобы не допустить утечку или распрыскивания металла).
3. Выключите муфельную печь, накройте форму огнеупорной крышкой и дождитесь полного остывания формы вместе с расплавленным металлом. При желании Вы можете поставить форму обратно в печь, чтобы минимизировать контакт металла с атмосферным воздухом (однако перед помещением формы убедитесь, что печь выключена). После полного остывания и затвердения металла достаньте переплавленную запчасть из формы.При необходимости выполните финальную полировку или шлифовку.

Заключение

Твердая медь переходит в жидкое состояние при температуре 1083 градуса по Цельсию. Расплавление представляет собой сложный химический процесс, при котором разрушается твердая кристаллическая решетка вещества, что приводит к изменению его формы. Для повышения температуры меди нужно выполнить ее нагрев. На заводах и фабриках для этого используют специальные камеры и печи. Выполнить нагрев вещества можно в домашних условиях — для этого нужно собрать или приобрести мощную печь, которая может нагревать вещества до температуры выше 1100 градусов. Нагревать медь нужно с запасом, что связано с теплопотерями и особенностями процедуры нагрева.

Для переплавки меди в домашних условиях помимо печи нужно подготовить дополнительное оборудование — тигель, металлургические щипцы, крюк, керамическую форму и так далее. Переплавка выполняется просто — с помощью печи медь нагревается до 1083 градусов, а потом она переливается в форму для застывания. Расплавление медных сплавов отличается от расплавления чистой меди. Сплавы характеризуются «плавающей» температурой плавления. Например, латунь плавится при температуре от 880 до 950 градусов в зависимости от концентрации легирующих элементов. Металлурги рекомендуют плавить латуниевый сплав при температуре 950 градусов (точка ликвидуса).

Используемая литература и источники:

• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. — «Химия», 2000.
• Максимов М. М., Горнунг М. Б. Очерк о первой меди. — М.: Недра, 1976.
• Электротехнический справочник. Т. 1. / Составитель И. И. Алиев. — М. : ИП РадиоСофт, 2006.
• Статья на Википедии