 |
Получение, состав и свойства железоуглеродистых сплавов
|
|
|
|
В практике строительства наибольшее применение нашли железоуглеродистые сплавы, которые называют черными металлами. С целью придания специфических свойств в их состав вводят легирующие добавки. В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяют на хрупкий чугун (2,14 – 6,67% С) и относительно пластичную сталь (до 2% С). В металлургии из железных руд вначале получают чугун, а затем путем окисления и удаления избыточного углерода, марганца, фосфора, кремния – сталь.
Сырьем для получения чугуна служат руды, содержащие железо
в виде окислов: красный железняк (гематит), бурый железняк, магнитный железняк (магнетит). В зависимости от содержания железа руды подразделяют на богатые (от 15 до 70 %) и бедные. Первые после дробления и сортировки направляют в доменную печь для плавки, а бедные подвергают обогащению за счет отделения пустой породы. Топливом в доменном процессе служит кокс, полученный путем сжигания без доступа воздуха каменного угля. Для понижения температуры плавления пустой породы и облегчения перевода ее и золы топлива в шлак
в состав шихты вводят специальные добавки – флюсы, ими могут быть известняки, доломиты и песчаники.
Современная доменная печь поглощает большое количество материалов и воздуха. Так для производства каждых 100 т чугуна необходимо
в среднем подать в печь 190 т железной руды, 95 т кокса, 50 т известняка и около 350 т воздуха. В результате кроме 100 т чугуна получается около 80 т шлака и 500 т доменного газа. Это энергоемкий процесс.
В состав чугунов, кроме железа и углерода, обычно входят примеси кремния, марганца, фосфора, а также легирующие добавки – никель, хром, магний, которые придают ему высокие механические свойства и обеспечивают износо-, жаро- и коррозионную стойкость. В зависимости от химического состава и микроструктуры выпускают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Большую часть выплавленного чугуна используют для переработки (передела) в сталь – белый передельный чугун. Для изготовления фасонного литья применяют серый литейный чугун.
|
|
|
Белый чугун (передельный) тверд, хрупок, плохо обрабатывается резанием. Высокая твердость белого чугуна обеспечивает высокую износостойкость, его применяют для получения ковкого чугуна и стали.
Серый чугун – один из наиболее распространенных литейных сплавов. Это самый дешевый металлический материал. Он имеет высокие литейные свойства, хорошую обрабатываемость резанием.
Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун маркируют буквами СЧ и цифрой, которая показывает среднее значение предела прочности при растяжении (СЧ10, СЧ18 и т.д.). В строительстве серый чугун применяют для изготовления деталей, работающих при сжатии, – башмаков под колонны, а также санитарно-технических (отопительные радиаторы, трубы) и архитектурно-художественных изделий (ограды, решетки, светильники). Значительное количество чугуна расходуют для изготовления тюбингов, из которых сооружают тоннели метрополитена. Высокопрочный и ковкий чугуны используют в машиностроении.
С целью значительного повышения пластичности чугун или чугун
в сочетании с металлоломом (скрапом) и рудой переплавляют. При плавке вводят флюсы и раскислители, в случае необходимости – легирующие добавки. При этом из железоуглеродистого сплава путем окисления и перевода в шлак удаляют избыток углерода, марганца, кремния, фосфора. Наиболее высокопроизводительные способы выплавки стали – кислородно-конверторный, мартеновский и электродуговой.
Кислородно-конверторным способом получают сталь из жидкого чугуна с добавлением скрапа и руды. Конвертором называют стальную реторту, состоящую из цилиндрической части, днища и конусообразной горловины, футерованную внутри огнеупорным кирпичом (рис. 3.3). Технологический цикл выплавки стали составляет 50 – 60 мин. К недостаткам этого способа относится большое пылеобразование, требующее применения сложных пылеочистительных установок.
|
|
|
Мартеновским способом выплавляют в зависимости от используемого сырья кислую и основную мартеновскую сталь. Современная мартеновская печь (см. рис. 3.3) представляет собой ванну сферической формы, футерованную огнеупорным кирпичом. В качестве топлива используют природный газ или мазут. Мартеновские печи могут работать как на твердой шихте, состоящей из смеси стального лома и твердого чушкового чугуна, так и на смешанной шихте. Последняя представляет собой скрап, богатую железную руду и жидкий чугун. Продолжительность получения стали в мартеновской печи составляет несколько часов. Фактор времени и значительный расход топлива являются недостатками мартеновского способа выплавки стали. К достоинствам можно отнести возможность использования различной шихты и разнообразного топлива, а также широкий ассортимент выпускаемого продукта (углеродистые и легированные стали).
Для выплавки высококачественных легированных сталей используют электропечи (см. рис. 3.3). Плавка шихты происходит за счет тепла трех электрических дуг (по числу фаз переменного тока), образующихся между электродами и металлом при температуре 1200°С.
К достоинствам способа можно отнести быстрый разогрев металлов, точное регулирование температуры, пониженное содержание в стали вредных примесей.
Рис. 3.3. Печи для выплавки стали:
1 – мартеновская; 2 – конверторная; 3 – электродуговая
Основной недостаток всех перечисленных сталеплавильных агрегатов – периодичность действия. Для увеличения производительности печей, снижения эксплуатационных затрат, повышения качества стали, уменьшения технологических отходов и лучшего использования сырья разрабатываются сталеплавильные агрегаты непрерывного действия.
Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, назначению. По способу производства различают мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь; химическому составу – углеродистую и легированную; назначению – конструкционную (строительную и машиностроительную), инструментальную и специального назначения.
|
|
|
Углеродистая сталь в свою очередь бывает обыкновенного качества, качественная конструкционная (для машиностроения и наиболее ответственных конструкций) и высококачественная инструментальная (для изготовления режущих инструментов, штампов, матриц). Основное применение в строительстве находит углеродистая сталь обыкновенного качества. В ней присутствуют кроме углерода (0,06 – 0,62%) примеси кремния, марганца. Наиболее нежелательно присутствие фосфора, который придает стали свойство хрупкости при низких температурах (хладноломкость), и серы, вызывающей аналогичное действие при высоких температурах. В зависимости от назначения, гарантируемых механических характеристик и химического состава сталь углеродистую обыкновенного качества делят на две группы (А, Б) и подгруппу (В) (ГОСТ 14637-79). Для строительных целей используют в основном сталь группы А, которую изготовляют следующих марок: СтО, Ст1, Ст2,..., Ст6. По мере увеличения номера стали повышается прочность и снижается пластичность.
Наиболее широкое применение нашла сталь Ст3, так как по сочетанию важнейших свойств – прочности и свариваемости она занимает промежуточное положение в ряду. Для получения арматуры используют Ст5, малонагруженных деталей – Ст0, Ст1. Существуют углеродистые стали обыкновенного качества специального назначения, например, для строительства мостов Ст3м. Этот вид сталей имеет существенные недостатки: хладноломкость, исключающую их применение при низких температурах, и относительно невысокую прочность, приводящую к перерасходу металла и увеличению массы металлоконструкций.
Качественные конструкционные углеродистые стали подразделяют в зависимости от содержания углерода (в %) на малоуглеродистые ( до 0,25), которые хорошо свариваются, пластичны, применяют их для сварных и клепаных конструкций; среднеуглеродистые ( до 0,55), хуже свариваются, более прочные и хрупкие, используют для деталей, подвергающихся большим нагрузкам; высокоуглеродистые ( до 0,8) применяют для изготовления пружин, рессор и зубчатых колес.
|
|
|
Углеродистые стали не могут по прочности удовлетворять высоким требованиям, предъявляемым к современным конструкционным материалам. Этот вид стали имеет склонность к старению, повышению хрупкости при пониженных температурах, малую стойкость против коррозии. С целью повышения качества в сталь вводят легирующие элементы с условным обозначением Сr (X), Мn (Г), Ni (Н), Мо (М), Со (К), Si (С).
Преимущества легированных сталей выявляются в большинстве случаев только после дополнительной термообработки. Легированные стали классифицируют по химическому составу и назначению.По химическому составу – низколегированная с общим содержанием легирующих элементов до 2,5%, среднелегированная (от 2,5 до 10%) и высоколегированная (более 10%). По назначению – конструкционная, применяемая при обычных и повышенных температурах, инструментальная, которую применяют для режущего, штампованного и измерительного инструмента, и сталь с особыми физическими, химическими и механическими свойствами.
В строительстве широко применяют низколегированные конструкционные стали. По легирующему элементу они называются марганцовистыми, кремнистые, хромистыми, хромомолибденовыми и др. Для обозначения марок стали по ГОСТу принята буквенно-цифровая система. Буквы обозначают присутствие в стали определенной легирующей добавки. Первая цифра, стоящая перед буквами, показывает содержание углерода в сотых долях процента; цифры, стоящие за буквами, – содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание не превышает 1,5%, цифры не ставят. Буква «А», стоящая в конце марки, обозначает, что сталь высококачественная. Например, 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35% С, 1% Сr, 3% Ni, 1% Мо; 25ХГ2С – 0,25% С, 1% Сr, 2% Мn,
1% Si. Этот вид стали применяют в строительстве для сварных и клепаных конструкций. Они обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью. При температурах ниже –40°С их ударная вязкость не должна снижаться более чем на 50%. Предел текучести легированных сталей, представляющий основную характеристику при расчете элементов строительных конструкций, в 1,5 раза выше углеродистых. Для армирования железобетонных конструкций применяют сталь марок 18Г2С и 20ХГ2С.
Цветные металлы и сплавы
Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие до 75% оксида алюминия. По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов. По объему производства и масштабам применения он уступает только черным металлам. Широкое использование обусловлено важнейшими свойствами алюминия – малой плотностью (2700 кг/м3), высокой электро- и теплопроводностью. Алюминий – серебристо-белый металл, устойчивый против коррозии вследствие образования на его поверхности плотной оксидной пленки. Благодаря высокой пластичности алюминий хорошо обрабатывается давлением как в холодном, так и в горячем состоянии. Этот металл хорошо сваривается газовой и контактной сваркой, но имеет низкие литейные свойства и плохо обрабатывается резанием. Из отрицательных свойств алюминия как конструкционного материала следует подчеркнуть его недостаточную жесткость, модуль его упругости в 3 раза меньше, чем у стали. На свойства алюминия большое влияние оказывают примеси железа, кремния и др., которые понижают его электро- и теплопроводность, коррозионную стойкость и пластичность, повышая его прочность и твердость. В строительстве алюминий используют главным образом в виде сплавов, которые обладают малой плотностью (2550 – 2710 кг/м3) и достаточной прочностью.
|
|
|
Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовленияизделий на литейные, порошковые и деформируемые.
Литейные и порошковые сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок в машиностроении.
Деформируемые сплавы предназначены для изготовления листов, профилей, проволоки, труб методами холодной или горячей деформации. В строительстве наиболее широкое применение нашли сплавы алюминия и магния (магналии), алюминия с медью и магнием (дуралюмины), алюминия, магния и кремния (авиаль).
Конструкции из алюминиевых сплавов используют в случае необходимости значительного снижения массы ограждающих и несущих конструкций, повышения их архитектурной выразительности, коррозионной стойкости, а также при предъявлении специальных требований: отсутствие искрообразования, магнитных свойств и надежность работы при отрицательных температурах. В связи с этим основными определяемыми показателями для алюминиевых сплавов являются модуль сдвига и упругости, коэффициенты поперечной деформации и линейного расширения, которые определяют в интервале температур от – 70 до + 100оС.
К ограждающим конструкциям относятся модульные перегородки, подвесные потолки, кровельные и стеновые панели с полимерным плитным утеплителем («сэндвич»); к несущим – сварные и клепаные конструкции типа ферм, колонн, пространственных решетчатых покрытий, сборно-разборные каркасы зданий. Их выполняют из прессованных профилей, пространственные – из тонколистовых материалов.
Алюминиевые профили с защитным покрытием выпускают двух видов: «холодные» с высокой теплопроводностью без термовставки и «теплые» – комбинированные с низкой теплопроводностью, имеющие термоизолирующую вставку из армированного стекловолокном полиамида. Из утепленных профилей выполняют отделку фасадов, окна, двери, витражи любых форм и конфигураций. Соединение элементов выполняют с использованием дуговой сварки и присадочного алюминийсодержащего материала. Методом горячего прессования получают трубы, которые могут быть круглыми и фасонными с толщиной стенок до 5 мм – тонкостенные и более 5 мм – толстостенные.
Важнейшим сырьем при получении меди являются сернистые руды,
в частности, медный колчедан. Медь – металл красновато-розового цвета, который обладает высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии. Для устранения существенных недостатков (низкие литейные свойства, плохая обрабатываемость резанием, относительно невысокие прочностные характеристики) ее легируют различными элементами. В строительстве нашли применение в основном два вида сплавов меди: латунь – сплав меди с цинком, бронза – сплавы меди с оловом или с алюминием, железом и марганцем. Латунь используют в виде листов, прутьев, проволоки, труб, а также архитектурных изделий для отделки интерьеров зданий; бронзу – для внутренней отделки зданий. Чистую медь в виде тонких листов применяют в качестве долговечного кровельного материала.
Цинк – металл синевато-белого цвета. Он обладает высокой коррозионной стойкостью, поэтому служит для оцинкования различных стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, болтов и т.д.).
Нанесение защитных покрытий может производиться следующими способами:
- цинкованием в расплаве цинка – горячее цинкование;
- металлизацией – напыление сжатым воздухом частиц расплавленного цинка;
- термодиффузионным цинкованием – химико-термическая обработка изделий в цинковых порошках при температуре от 380 до 500оС;
- нанесением на предварительно очищенную поверхность красок с предельным содержанием цинка и последующей сушкой в естественных условиях – метод холодного цинкования.
Долговечная, надежная защита поверхности обеспечивается за счет самого химически стойкого металла и труднорастворимых продуктов его взаимодействия с окружающей средой.
Свинец – тяжелый металл серовато-синего цвета, химически стоек, обладает высокими защитными свойствами по отношению к действию рентгеновских лучей. В строительстве свинец используют при изготовлении специальных труб, защитных покрытий и экранов.
|
|
|
