Процесс плавки

Плавка

Переплавка отходов золота для после­дующего их применения является для ювелира обыденной операцией. Суть ее в том, что слиток металла под действием соответствующего количества тепла пере­ходит из твердого состояния в жидкое. Сложные процессы, происходящие на мик­роуровне, еще недостаточно исследованы, поэтому они излагаются здесь упрощенно.

Уже при комнатной температуре крис­таллическая решетка не является непо­движной и жесткой структурой, а пред­ставляет собой динамичную систему, в которой ионы металлов, окруженные элек­тронами, находятся в постоянном движе­нии в пределах заданной области, но за счет сил взаимного притяжения удержива­ются в общей кристаллической решетке. На модели это можно было бы предста­вить так, как будто резиновые жгуты свя­зывают атомные ядра между собой.

С повышением температуры приблизи­тельно на 15 К амплитуда колебаний атомов усиливается в 2 раза, силы сцепления между ними при этом ослабляются, а структура становится менее прочной. На тактике это проявляется таким образом, так например, во время отжига изделие

Рис. 1.1. Растворение кристаллитов при плавле­нии (схема)

без ровной подкладки прогибается. Кроме того, увеличение межатомного расстояния приводит к тепловому расширению метал­ла. И, наконец, когда достигается темпера­тура плавления, кинетическая энергия ато­мов становится выше сил взаимного притя­жения и атомы освобождаются от внутри-кристаллических связей в решетке.

Разумеется, что структура слитка не рас­падается мгновенно, расплавление его— это постепенно происходящий процесс.

Температура плавления достигается сначала на поверхности слитка, где одно­временно начинается и распад структуры. В середине слитка температура пока ниже того значения, при котором происходит изменение состояния структуры. Распад кристаллитов можно себе представить таким образом, что сначала растворяются слабо связанные наружные атомы по гра­ницам зерен, а в дальнейшем распадение структуры происходит постепенно от на­ружных областей к внутренней части кри­сталлов (рис. 4.10).

Данный процесс распада кристаллитов протекает еще более интенсивно за счет так называемого дефекта Френкеля, когда по мере приближения температуры плавле­ния кристаллическая структура постепен­но разрушается: большое количество ато­мов покидают свои узлы в кристаллической решетке и как бы втискиваются меж­ду занимающими более «жесткое» положе­ние соседними атомами, одновременно об­разуя свободные места в кристаллической решетке и нарушая в ней связи. Электронные оболочки атомов деформируются, и поэтому при не­значительном смещении соседних атомов дополнительные атомы могут внедриться в кристаллическую решетку. В результате между сжавшимися кристаллитами обра­зуется большее количество расплавленно­го металла; остатки кристаллитов плава­ют в расплаве словно куски льда в воде. Внешне кажется, что металл находится в тестообразном состоянии. Но вот поверх­ностный слой переходит в жидкое состо­яние, частицы металла оседают на дне тигля, однако одновременно продолжается и процесс расплавления всего слитка. Он будет идти до тех пор, пока все металли­ческие частицы не растворятся и не обра­зуется однородный жидкий расплав. При этом поступающая тепловая энергия рас­ходуется на разрушение кристаллических связей и увеличение кинетической энергии атомов.

При плавке чистых металлов темпера­тура остается постоянной, пока весь сли­ток не расплавится, т. е. пока не разру­шатся все связи в кристаллической ре­шетке.

При плавке сплавов температура по­вышается в процессе разрушения решет­ки, а именно в диапазоне температур от солидуса до ликвидуса.